Xây dựng mô hình dàn trải mạch điện tử cho máy hàn hồ quang điện

Hàn điện là công nghệ gắn kết các kim loại với nhau được dùng rộng rãi trongcông nghiệp, xây dựng, chế tạo máy và cả trong dân dụng.. Nhiệt độ có thể tạo ra nhờ hồ quang điện hàn hồ quan

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ iii

DANH MỤC CÁC BẢNG v

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU vi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY HÀN 3

1.1 Khái niệm và phân loại 3

1.1.1 Khái niệm 3

1.1.2 Phân loại 4

1.2 Máy hàn hồ quang điện 4

1.2.1 Máy hàn que 4

1.2.2 Máy hàn TIG: 6

1.2.3 Máy hàn MIG: 7

1.2.4 Máy hàn MAG: 8

1.2.5 Máy hàn điểm 9

1.2.6 Máy hàn đa chức năng 10

1.3 Máy hàn điện tử 10

1.3.1 Đặc điểm của máy hàn điện tử 10

1.3.2 So sánh máy hàn điện tử và máy hàn cơ 13

CHƯƠNG 2: MÁY HÀN ĐIỆN TỬ 16

2.1 Chuyển mạch công suất IGBT sử dụng trong máy hàn điện tử 16

2.1.1 Cấu tạo IGBT 16

2.1.2 Nguyên lý hoạt động của IGBT 17

2.1.3 Điều khiển IGBT: 19

2.2 Nguyên lý hoạt động máy hàn điện tử 21

2.2.1 Sơ đồ khối: 21

2.2.2 Khối nguồn 22

2.2.3 Khối c ng suất 23

2.2.4 Khối điều hiển 25

2.2.5 Khối lái (Driver) 27

2.2.6 Các hối mạch hác 28

CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT VÀ THIẾT KẾ MÔ HÌNH 30

3.1 Khảo sát máy hàn HK200A 30

3.1.1 Máy hàn HK200A 30

3.1.2 Khối nguồn cấp trước và cấp sau 30

3.1.3 Khối lái(driver) 32

3.1.4 Khối điều khiển 33

3.1.5 Khối cảm biến 36

3.1.6 Khối công suất: 37

3.2 Thiết kế mô hình dàn trải mạch điện tử cho máy hàn HK200A 39

3.2.1 Mô tả thiết bị 39

3.2.2 Nội dung nghiên cứu, khảo sát 41

3.2.3 Cấp nguồn AC đầu vào 41

3.2.4 Vận hành mô hình 43

3.3 Triển khai thực tập trên mô hình máy hàn điện tử 46

3.3.1 Mục tiêu, yêu cầu: 46

3.3.2 Nội dung cần tìm hiểu, khảo sát 47

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 50

TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 Thuyết minh đề tài

Hợp đồng triển khai thực hiện

Phụ lục Hợp đồng

Bảng Danh mục minh chứng của các sản phẩm của đề tài

Các minh chứng sản phẩm của đề tài

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Máy biến áp hàn xoay chiều 1 pha có vít điều chỉnh thay đổi he hở mạch từ

4

Hình 1.2: Th ng số ĩ thuật máy hàn điện tử 5

Hình 1.3: Máy hàn Inverter HK200A 11

Hình 2.1: Cấu tạo IGBT 16

Hình 2.2: Nguyên lý hoạt động của IGBT 17

Hình 2.3: Mạch ví dụ điều hiển IGBT 19

Hình 2.4: Mạch Driver IGBT 19

Hình 2.5: Sơ đồ hối máy hàn 21

Hình 2.6: M tả hối c ng suất máy hàn Inverter 22

Hình 2.7: Sơ đồ hối nguồn cấp trước 22

Hình 2.8: Khối nguồn cấp sau 23

Hình 2.9: Chiều dòng điện nửa chu ỳ đầu 24

Hình 2.10: Chiều dòng điện nửa chu ỳ sau 24

Hình 2.11: Dạng xung đầu ra lý tưởng 25

Hình 2.12: Sơ đồ nguyên lý mạch điều hiển 26

Hình 2.13: Sơ đồ hối khuếch đại thúc 27

Hình 2.14: Dạng sóng cuộn sơ cấp máy biến áp 28

Hình 2.15: Sơ đồ hối cảm biến 28

Hình 2.16: Mạch lọc nguồn 29

Hình 3.1: Khối nguồn cấp trước và lọc AC đầu vào 31

Hình 3.2: Nguồn cấp sau 32

Hình3.3: Mạch tạo xung ích và biến áp chia xung trên máy 33

Hình 3.4: Dạng xung của 2 đầu sơ cấp biến áp chia xung 33

Hình 3.5: Vị trí hối điều hiển trên máy 34

Hình 3.6: Sơ đồ chân và hối chức năng IC điều hiển 35

Hình 3.7: Dạng xung của hai chân 11 và 14 của IC UC3846 35

Hình 3.8: Dạng sóng của hai chân 11 và 14 của IC UC3846 (có tải) 36

Hình 3.9: Vị trí cuộn cám biến dòng 36

Hình 3.10: Vị trí cảm biến nhiệt độ 37

Hình 3.11: Vị trí IGBT trên máy 37

Hình 3.12: Vị trí biến áp c ng suất 38

Hình 3.13: Vị trí của IGBT, Diode đầu ra, Diode đầu vào 38

Hình 3.14: Giao diện m hình dàn trải hệ thống điện tử máy hàn HK200A 39

Hình 3.15: Thiết ế tổng thể m hình 40

Hình 3.16: Sơ đồ nối dây cho C ng tơ LWGQ-63N 42

Hình 3.17: Cấp điện và thiết lập các chức năng hoạt động trên m hình 44

Hình 3.18: Hình ảnh tổng thể của sản phẩm 46

Hình 3.19: Khảo sát thực nghiệm trên m hình 49

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Thông số kỹ thuật máy hàn HK200A MOSFET 11

Bảng 1.2: Thông số máy hàn điện tử ARC 200 Mini: 13

Bảng 1.3: So sánh máy hàn cơ truyền thống và máy hàn điện tử 14

Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật thiết bị 1P-220V LWGQ-63N 43

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Thông tin chung:

 Tên đề tài: Xây dựng mô hình dàn trải mạch điện tử cho máy hàn hồ quang điện

 Mã số: T2022-06-36

 Chủ nhiệm đề tài: ThS Phạm Văn Phát

 Thành viên tham gia đề tài gồm có: ThS Trần Duy Chung

 Cơ quan chủ trì đề tài: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật

- Thời gian thực hiện: 3/2023 – 11/2023

2 Mục tiêu:

 Thiết kế, chế tạo mô hình dàn trải hệ thống điện tử của máy hàn hồ quang điện

và tài liệu hướng dẫn nghiên cứu, thực tập trên mô hình

 Sử dụng làm cho mô hình thực tập cho sinh viên ngành CNKT Điện, điện tử vàCNKT Điện tử- viễn thông

3 Tính mới và sáng tạo:

 Tạo ra được mô hình, học cụ hoàn toàn mới có tính thực tiễn cao, trực quan,sinh động góp phần giải quyết nhu cầu thiết bị phục vụ đào tạo

4 Tóm tắt kết quả nghiên cứu:

 Thiết kế, chế tạo thành công mô hình dàn trải máy hàn điện tử với đầy đủ cáckhối chức năng, cho phép thực hiện khảo sát, phân tích, kiểm nghiệm và vận hành trên

mô hình

 Tạo ra được 01 tài liệu hướng dẫn thực tập dành cho sinh viên đáp ứng mụctiêu, yêu cầu, đề cương chi tiết học phần Thực tập tốt nghiệp cho CTĐT CNKT điện –điện tử và CNKT điện tử - viễn thông dựa trên mô hình dành trải máy hàn điện tử

5 Tên sản phẩm: Mô hình dàn trải máy hàn điện tử

6 Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:

 Đã triển khai đưa vào thử nghiệm, giảng dạy cho học phần Thực tập tốt nghiệpcho SV khóa 2019 chuyên ngành Kỹ thuật điện tử thuộc Chương trình đào tạo CNKTĐiện – Điện tử

 Chuyển giao cho các giảng viên phụ trách Phòng không gian sáng tạo MakerSpace và áp dụng triển khai cho học phần Thực tập tốt nghiệp

7 Hình ảnh, sơ đồ minh họa chính

PGS TS Võ Trung Hùng

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS

1 General information:

Project title: Building an electronic circuit model for an electric arc weldingmachine

Code number: T2022-06-36

Coordinator: Pham Van Phat, MSc

Implementing institution: University Of Technology And Education

Duration: from March 2023 to November 2023

2 Objective(s): Design and manufacture a model of the electronic system of an

electric arc welding machine and documents to guide research and practice on thedevice

3 Creativeness and innovativeness: Creating completely new models and equipment

that are highly practical, intuitive, and lively contributing to solving the need fortraining equipment

4 Research results: Design and manufacture a spread model of an electronic welding

machine with full functional blocks, allowing for surveying, analysis, testing andoperation on the model 01 practice guide for students

5 Products: Spread model of electronic welding machine

6 Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability: Has been

tested and taught for the Graduation Internship module for students of the 2019 classmajoring in Electronic Engineering Transfer to lecturers in charge of the MakerSpaceroom and apply it to the Graduation Internship module

MỞ ĐẦU

Ngày nay công nghệ điện tử không ngừng phát triển và đã được ứng dụng rộngrãi trong mọi lĩnh vực đời sống xã hội Việc ứng dụng các công nghệ mới, hiện đạimang lại nhiều lợi ích to lớn cho xã hội và người dùng Các lợi ích có thể kể ra nhưtiện dụng; giảm thời gian, công sức lao động; giảm kích thước, trọng lượng, điện năngtiêu thụ; giảm chi phí sản xuất, thi công… mang lại hiệu quả, tăng năng suất lao động

và giảm giá thành sản phẩm

Việc trang bị cho người học những kiến thức và kỹ năng phù hợp với yêu cầucông nghệ và thực tiễn sản xuất là mục tiêu, nhiệm vụ của các bộ môn, nhà trường Dovậy, bên cạnh việc đầu tư mua sắm các trang thiết bị mới thì việc nghiên cứu thiết kế,sản xuất thiết bị, mô hình ứng dụng thực tiễn, hiện đại cho học tập và nghiên cứu là rấtcẩn thiết Giảm được chi phí đầu tư, đáp ứng nhu cầu trang thiết bị phục vụ đào tạo,nghiên cứu; gắn đào tạo với việc giải quyết các yêu cầu chuyên môn, thực tiễn phùhợp với ngành nghề đào tạo

Nhà trường với mục tiêu đào tạo trình độ đại học theo định hướng ứng dụng nênkhối lượng các học phần thực hành, thực tập, đồ án chiếm tỉ trọng cao trong chươngtrình đào tạo Hàng năm, nguồn kinh phí đầu tư mua trang thiết bị phục vụ đào tạo cònhạn chế Điều này cũng đặt ra thách thức rất lớn trong việc đầu tư tranh thiết bị thựchành, thí nghiệm đầy đủ cho các chương trình đào tạo Việc triển khai thực hành, thínghiệm chưa thực sự hiệu quả Để giảm gánh nặng đầu tư trang thiết bị thực hành, thínghiệm cũng như kịp thời tạo ra các bộ thực hành, thí nghiệm đáp ứng nhu cầu chosinh viên thì hiện nay nhiều giảng viên đã thực hiện xây dựng được các mô hình, thiết

bị thực hành thí nghiệm trên cơ sở các đề tài nghiên cứu khoa học[1], [2]

Bên cạnh đó, hiện việc triển khai các học phần thực tập nói chung và thực tập tốtnghiệp cho sinh viên cũng gặp nhiều khó khăn Với số lượng lớn, việc đưa tất cả sinhviên đi các đơn vị sản xuất phù hợp với yêu cầu chuyên môn sâu của ngành học chưađạt hiệu quả như mong muốn, nhiều sinh viên khó có điều kiện tiếp cận, nghiên cứuchuyên sâu về chuyên ngành[1]

Song song với kế hoạch trang bị, mua sắm thiết bị phục vụ đạo tạo Bộ mônĐTVT có kế hoạch nghiên cứu, thiết kế các hệ thống ứng dụng công nghệ Điện tử

phục vụ cho học phần Thực tập tốt nghiệp của sinh viên các ngành CNKT Điện tử viễn thông và chuyên ngành Kỹ thuật điện tử thuộc ngành CNKT Điện, Điện tử Vớimong muốn tạo ra các mô hình thực tập hiệu quả cho học phần Thực tập tốt nghiệp[2]

-Từ những yêu cầu và đặc điểm như trên, việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo các môhình thiết bị mới hiện đại, phù hợp với yêu cầu thực tiễn và công nghệ nhằm phục vụđào tạo, nghiên cứu khoa học và đổi mới công nghệ trong lĩnh vực đào tạo là hết sức

cần thiết Đề tài “Xây dựng mô hình dàn trải mạch điện tử cho máy hàn hồ quang điện” nhằm giải quyết các vấn đề, yêu cầu nêu trên, tạo mô hình thực tập tốt nghiệp

cho hơn 100 sinh viên ngành CNKT Điện, điện tử và CNKT Điện tử- viễn thông Môhình học cụ trực quang giúp người học tiếp cận, nghiên cứu, khám phá các kỹ thuật,công nghệ điện tử được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống Nâng cao năng lực khámphá công nghệ, vận hành, bảo hành, bảo dưỡng, cải tiến và nâng cao hiệu năng, hiệusuất thiết bị…

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY HÀN1.1 Khái niệm và phân loại

1.1.1 Khái niệm.

Máy hàn là công cụ dùng để kết dính 2 vật liệu tách biệt nhau thông qua việc sửdụng một trong hai yếu tố là nhiệt và áp lực, hoặc kết hợp hai yếu tố đó và có sử dụnghoặc không sử dụng vật liệu bổ sung

Hàn điện là công nghệ gắn kết các kim loại với nhau được dùng rộng rãi trongcông nghiệp, xây dựng, chế tạo máy và cả trong dân dụng So với các phương phápgắn kết kim loại khác như đúc, hàn hơi ….thì hàn điện có nhiều ưu điểm

Hàn hồ quang là tên gọi chung các phương pháp hàn sử dụng nguồn nhiệt là hồquang điện Hàn hồ quang có nguồn nhiệt năng lượng cao và tập trung hơn các phươngpháp hàn khí Nguồn nhiệt tập trung là đặc điểm của các phương pháp hàn hồ quang

Do tập trung nên vũng chảy hàn sâu hơn, có nghĩa là mối hàn có độ ngấu sâu hơn,thích hợp khi hàn các chi tiết dày Các ưu điểm của phương pháp hàn điện:

 Tiết kiệm được nhiều nhiên liệu, độ bền gắn kết cao, giá thành hạ, năng suấtcao, công nghệ đơn giản, điều kiện lao động nhẹ nhàng, dễ tự động hóa Về tổngthể, hàn điện có thể chia làm 2 loại lớn là hàn nóng chảy và hàn áp lực

 Hàn nóng chảy là phải tạo nhiệt làm nóng chảy các kim loại tại chổ hàn đểchúng liên kết với nhau khi nguội Nhiệt độ có thể tạo ra nhờ hồ quang điện (hàn

hồ quang), nhờ dòng điện qua xỉ nóng chảy (hàn xỉ điện), nhờ nhiệt tạo ra khibắn phá kim loại bằng chùm điện tử trong chân không (hàn bằng tia điện tử), nhờ

hồ quang dạng xung (hàn xung hồ quang), nhờ nhiệt của hồ quang Plasma (hàn

hồ quang Plasma), nhờ năng lượng quang điên tử của tia laze (hàn la-ze)

 Hàn áp lực là ép mạnh hai vật cần dính kết rồi nhờ tác dụng nhệt hoặc tácdụng khác để 2 vật dính kết với nhau, chẳng hạn nhờ nhiệt của dòng điện chạyqua chỗ tiếp xúc (hàn tiếp xúc), nhờ năng lượng của sóng siêu âm (hàn siêu âm),nhờ ma sát ở chỗ nối (hàn ma sát), nhờ nhiệt dòng cao tần (hàn dòng cao tần)…

Chúng ta chỉ xét tới hàn nóng chảy nhờ nhiệt của ngọn lửa hồ quang và hàn tiếpxúc nhờ nhiệt của dòng điện chảy qua chỗ tiếp xúc.

Sơ đồ biểu thị sự phân loại của hàn hồ quang và hàn tiếp xúc:

 Máy hàn đa chức năng

1.2 Máy hàn hồ quang điện[3], [4]

Máy hàn que hay còn gọi là máy hàn hồ quang tay, vì trong quá trình thực hiện,các thao tác hàn đều được người thợ hàn thực hiện bằng tay Vật liệu hàn chủ yếu làinox, sắt, thép mỏng Máy hàn hồ quang điện chuyên dùng cho mục đích kết nối cácchi tiết kim loại như sắt, thép, inox… lại với nhau thông qua sự nóng chảy và kết dínhcủa kim loại vật liệu hàn hay vật hàn.

Máy hàn que truyền thống sử dụng biến áp có vít điều chỉnh thay đổi khe hởmạch từ Khi ta cấp nguồn điện xoay chiều vào cuộn sơ cấp sẽ phát sinh ra từ thôngbiến thiên trong lõi thép, từ thông biến thiên này cảm ứng một suất điện động trêncuộn thứ cấp và tạo ra hiệu điện thế ở hai đầu điện cực hàn Các dạng máy biến áp hànnhư hình ở trên đều có cơ cấu vít điều chỉnh trên lõi thép để thay đổi khe hở mạch từ.Mục đích của việc thay đổi khe hở mạch từ nhằm tạo ra các mức điện thế khác nhautrên điện cực hàn

Máy hàn điện tử là loại máy hàn sử dụng công nghệ biến tần IGBT để biến đổinguồn điện 1 chiều lên tần số cao, tiếp theo đó sẽ tiến hành giảm áp chỉnh lưu, áp dụng

kỹ thuật điều chế xung để đưa ra dòng điện một chiều công suất lớn, giúp tạo ra hồquang điện hàn mạnh mẽ và ổn định để hàn nóng chảy nhanh chóng

Hình 1.2: Th ng số ĩ thuật máy hàn điện tử

Ưu điểm máy hàn que:

 Hàn được nhiều ở mọi tư thế trong không gian

 Dùng được cả dòng một chiều (DC) và xoay chiều (AC).

 Vỏ bọc que hàn tự cung cấp môi trường bảo vệ cho quá trình hàn

 Không sử dụng khí bảo vệ nên ít bị tác động từ gió

 Thiết bị có giá thành rẻ, đầu tư đơn giản và có tính cơ động cao

 Kỹ thuật hàn que có thể áp dụng trên nhiều kim loại với tất cả các vị trí hàn

từ chiều dày lớn nhất đến mỏng nhất

Nhược điểm máy hàn que:

 Năng suất thấp do cường độ hàn bị hạn chế, phải dừng lại để thay que hàn

 Hình dạng, kích thước và thành phần hoá học mối hàn không đồng đều dotốc độ hàn bị dao động, làm cho phần kim loại cơ bản tham gia vào mối hàn thayđổi

 Chiều rộng vùng ảnh hưởng nhiệt tương đối lớn do tốc độ hàn nhỏ

 Bắn toé kim loại lớn phải đánh xỉ

 Điều kiện làm việc của thợ hàn mang tính độc hại (do tiếp xúc bức xạ, hơi,khí độc)

1.2.2 Máy hàn TIG:

Máy hàn TIG là loại máy hàn áp dụng công nghệ hàn bằng điện cực Wolframtrong môi trường khí trơ Khí trơ sẽ bảo vệ mối hàn tránh khỏi sự xâm nhập của khôngkhí bên ngoài Máy hàn TIG có thể dùng cho nhiều kim loại như thép không gỉ, nhôm,magie, đồng và các hợp kim đồng, niken và hợp kim niken, các loại thép carbon thấpvới các độ dày khác nhau…

Ưu điểm máy hàn TIG:

 Hàn được trên mọi chiều dày vì biên độ điều chỉnh rộng (từ 5 – 600A, điện

áp 10 – 35V)

 Ứng dụng được trên tất cả các loại kim loại và hợp kim

 Cho mối hàn chất lượng cao

 Mối hàn không bị bắn toé, sạch đẹp.

 Dễ dàng kiểm soát hình dạng vũng hàn và độ ngấu của mối hàn

Nhược điểm của máy hàn TIG:

 Năng suất không cao

 Đòi hỏi về tay nghề của người thợ hàn

 Tốn nhiều kinh phí để đầu tư trang thiết bị và nguyên vật liệu

1.2.3 Máy hàn MIG:

Máy hàn MIG áp dụng phương pháp hàn hồ quang kim loại trong môi trường cókhí bảo vệ Điện cực chính ở đây là dây hàn nóng chảy, được cấp tự động vào vật hàn,môi trường là khí trơ Argon hoặc Heli Máy hàn MIG thường được dùng để hàn cáchợp kim, kim loại màu và thép hợp kim cao Al Ni, Cu…

Ưu điểm máy hàn MIG

 Tốc độ hàn nhanh, liên tục, tiết kiệm vật liệu hàn

 Chất lượng mối hàn thì không cần bàn cãi so với hàn que thông thường, mốihàn phẳng, bóng, không thấy mối hàn, ít tiêu thụ điện năng

 Hàn được hầu hết các kim loại

 Dễ tự động hoá

 Mối hàn dài có thể thực hiện sẽ không bị ngắt quãng

 Yêu cầu kỹ năng hàn thấp vẫn đạt được mối hàn chất lượng cao đạt độ thẩm

mỹ theo yêu cầu

 Trong quá trình hàn giảm được khói hàn và bắn toé, tiết kiệm được thời giandọn sạch sau hàn, đảm bảo môi trường không bị ôi nhiễm

 Cải thiện năng suất hàn

 An toàn khi sử dụng

Nhược điểm máy hàn MIG

 Thiết bị hàn MIG đắt tiền hơn hàn que.

 Tính linh hoạt kém, ít có thể di chuyển nhiều

nở và di chuyển với tốc độ cao nên có tác dụng bảo vệ vùng hàn nóng chảy hiệu quả.Máy hàn MAG dùng để hàn các loại thép kết cấu có hàm lượng cacbon thấp vàtrung bình Ngoài ra với kết cấu có chiều dày lớn hơn có thể dùng khí trộn (Oxy,Ar…)

Ưu điểm của máy hàn MAG:

 Vì sử dụng khí CO2 nên năng suất và hiệu quả mối hàn cao gấp 2 lần so vớiphương pháp hàn hồ quang tay

 Bạn hoàn toàn có thể làm ở mọi vị trí khác nhau trong không gian, vì tínhcông nghệ của hàn CO2 cao hơn so với hàn hồ quang

 Năng lượng hàn thấp, ít bị biến dạng

 Hàn được hầu hết các kim loại

 Dễ tự động hoá

 Mối hàn dài có thể được thực hiện mà không bị ngắt quãng

 Yêu cầu kỹ năng hàn thấp

Nhược điểm máy hàn MAG

 Giá thành cao hơn so với các loại máy hàn khác

1.2.5 Máy hàn điểm

Máy hàn điểm tiếp xúc là loại máy hàn giúp liên kết vật liệu, trong đó lượngnhiệt dùng cho mối hàn được sinh ra do điện trở của dòng điện khi nó truyển qua phầnvật liệu được hàn Hàn điểm tiếp xúc được sử dụng rộng rãi trong việc liên kết các tấmthép có chiều dày lên tới 0.125 inch và có thể sử dụng rất nhiều loại vật liệu, kể cả kếthợp nhiều vật liệu khác nhau

Ưu điểm máy hàn điểm:

 Tốc độ nhanh

 Tạo được liên kết hàn kín

 Phù hợp để tự động hoá và dễ đưa vào các dây chuyền năng suất cao cùngvới các bước sản xuất khác

 Năng suất cao

 Bằng việc điều khiển các giá trị dòng điện, thời gian hàn và áp lực của điệncực bằng máy tính

 Các mối hàn chất lượng tốt có thể được tạo ra với tốc độ sản xuất cao

 Chi phí lao động thấp, không đòi hỏi nhân công lành nghề

 Có thể hàn được các chi tiết mỏng đến rất mỏng

 Không cần thêm kim loại phụ và khí bảo vệ

 Các thiết bị có khả năng tự động hoá cao

Nhược điểm máy hàn điểm:

 Giá thành đầu tư cho một thiết bị hàn điểm và các đồ giá lắp đi kèm lớn

 Nhân viên sửa chữa bảo dưỡng thiết bị hàn và điều khiển hàn yêu cầu phải cótrình độ

 Đối với một số vật liệu thì có yêu cầu đặc biệt về chuẩn bị bề mặt vật hàn

 Không hàn được các chi tiết có chiều dày lớn

 Kết cấu máy lớn, cồng kềnh

1.2.6 Máy hàn đa chức năng

Máy hàn đa chức năng là loại máy hàn điện tử được kết hợp 2 – 3 kỹ thuật hàn,cắt, đem lại sự tiện lợi khi có thể sử dụng linh hoạt các phương pháp hàn, cắt cho cácchất liệu khác nhau và đảm bảo tiết kiệm chi phí tối đa cho người sử dụng khi khôngcần mua sắm quá nhiều thiết bị hàn

Máy hàn đa chức năng được ứng dụng nhiều trong công nghiệp như: chế biếnkim loại, bảo trì/sửa chữa, dầu khí – hoá chất, công nghiệp đóng tàu, sản xuất thủ công

mỹ nghệ - bàn ghế sắt – nhôm, nông nghiệp, xây dựng Được tích hợp nhiều chứcnăng nên có thể hàn được hầu hết mọi kim loại đen và kim loại màu, khả năng sử dụnglinh hoạt hơn so với máy hàn que, máy ahfn TIG, máy hàn MIG, máy hàn MAG,…đơn năng riêng biệt

Ưu điểm máy hàn đa chức năng:

 Có thể sử dụng được nhiều trong lĩnh vực khác nhau mà không tốn chi phímua nhiều thiết bị, không tốn điện tích cất giữ

 Mối hàn, mối cắt đẹp, chắc chắn, hiệu suất cao, ổn định, hàn cắt nhanhchóng

 Thường có thiết kế gọn nhẹ, chắc chắn, có tay xách (hoặc kèm theo bánh xe)

để tiện di chuyển

 Được trang bị màn hình điện tử để tiện theo dõi sự hoạt động của máy

 Được ứng dụng công nghệ INVERTER để tiết kiệm điện năng

 Được trang bị khả năng cách điện, cách nhiệt, chống bụi, chống nước, cóthông báo và tự ngắt khi xảy ra hiện tượng quá dòng, quá tải để đảm bảo an toàncho người thợ hàn và những người xung quanh và tăng tuổi thọ cho sản phẩm

Nhược điểm của máy hàn đa chức năng:

 Giá thành cao

1.3 Máy hàn điện tử [3], [4]

1.3.1 Đặc điểm của máy hàn điện tử

Máy hàn điện tử là loại máy hàn sử dụng công nghệ biến tần hay còn gọi là máyhàn INVERTER để biến đổi nguồn điện 1 chiều lên tần số cao, tiếp theo đó sẽ tiếnhành giảm áp chỉnh lưu, áp dụng kỹ thuật điều chế xung để đưa ra dòng điện một chiềucông suất lớn, giúp tạo ra hồ quang điện hàn mạnh mẽ và ổn định để hàn nóng chảynhanh chóng.

Hình 1.3: Máy hàn Inverter HK200A

Bảng 1.1: Thông số kỹ thuật máy hàn HK200A INVERTER HK200A IGBT

 Tốc độ hàn nhanh, vận hành một cách liên tục và tiết kiệm được vật liệu hàn.

 Chất lượng hàn mang lại bảo đảm mối hàn loại máy này luôn cao hơn cácmáy hàn đũa thông thường khác

 Sản phẩm sau khi hàn đảm bảo độ bóng, phẳng, không rõ mối hàn Đặc biệtmáy hàn điện tử chỉ tiêu thụ hết rất ít điện năng, hiệu suất cao

 Có khả năng hàn được hầu hết các vật kim loại

 Tự động hoá một cách dễ dàng

 Mối hàn dài có thể được thực hiện một cách liên tục mà không sợ bị ngắtquãng

 Không yêu cầu quá cao về các kỹ năng hàn

 Ta rất dễ điều khiển khi cần hàn đối với các vật hàn mỏng Đặc biệt khi hànsiêu mỏng ta cũng không sự bị lũng đối với vật hàn

 Khi hàn thì tạo ra rất ít xỉ hàn Vì vậy ta cũng ít phải chà hay gò xỉ Từ đó màcông đoạn làm sạch các mối hàn cũng tốn ít thời gian hơn khá nhiều

 Đối với cùng một thiết bị, ta có thể dùng được để hàn cả dây lõi thuốc

Nhược điểm của máy hàn điện tử:

Nhược điểm lớn nhất của máy hàn điện tử chính là phần cấu tạo Phần cấu tạo ởbên trong chủ yếu là mạch bo điện tử Chính vì vậy mà việc sửa chữa hay bảo trì các

loại thiết bị này luôn cần các kỹ thuật viên có tay nghề Họ cần phải am hiểu về cácloại mạch điện tử Đồng thời, người thợ hàn cũng không thể tự mình sữa chữa như đốivới các loại máy hàn biến áp kiểu truyền thống được Đây là lý do mà những người ởvùng xa xôi, vùng sâu vùng xa đã e ngại khi mua thiết bị này.

Bảng 1.2: Thông số máy hàn điện tử ARC 200 Mini:

5 Phạm vi điều chỉnh dòng (A) 20-200A

7 Chu kỳ tải max (25 độ C) 60%

8 Chu kỳ tải 100% (40 độ C) 120A

9 Chu kỳ tải 60% (40 độ C) 130A

1.3.2 So sánh máy hàn điện tử và máy hàn cơ.

Bảng so sánh giữa Máy hàn điện tử Inverter HK 200A và máy hàn biến thếtruyền thống của hãng Hồng Ký HK-H200 Kết quả cho thấy máy hàn điện tử có nhiều

ưu điểm vượt trội, trong đó phải kể đến như nhỏ, gọn, nhẹ, hiệu suất cao, an toàn vàhiệu quả khi vận hành

Bảng 1.3: So sánh máy hàn cơ truyền thống và máy hàn điện tử

TT Thông số Máy hàn biến thế Hồng

Sử dụng công nghệ điện tử theo nguyên lý chuyển mạch để tạo radòng hàn thông qua các khóa chuyển mạch và biến áp lõi ferit

2 Điều

khiển

Điều khiển bằng cách xoay vít điều chỉnh khe

hở mạch từ để thay đổiđiện áp đầu ra

Điều khiển bằng mạch điện tử vớinhiều chức năng hỗ trợ và bảo vệ

an toàn cho máy

3 Hiệu suất

Hiệu suất thấp, chưa tối ưuhóa hiệu suất, hiệu suất 60%

Với công nghệ điện tử có thể nângcao hiệu suất đồng thời giảm đượctrọng lượng của máy, hiệu suất85%

Trọng lượng: nhẹ, 6,6kgKích thước: nhỏ, gọn, dễ vậnchuyển

6 Cấu tạo Đơn giản dễ ít hư hỏng, dễ

sữa chữa

Phức tạp, khó sữa chữa

7 Ưu cầu Đường dây của hệ thống Thích hợp với mạng điện gia đình,

điện đầu

vào

cấp điện cần phải lớn,hiệu suất thấp nên sẽ yêucầu dòng điện lớn

hiệu suất cao nên yêu cầu thấp vềdây cấp nguồn

CHƯƠNG 2: MÁY HÀN ĐIỆN TỬ2.1 Chuyển mạch công suất IGBT sử dụng trong máy hàn điện tử [3], [4]

2.1.1 Cấu tạo IGBT

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor): Transistor có cực điều khiển cách ly làmột linh kiện bán dẫn công suất 3 cực được phát minh bởi Hans W Beck và Carl F.Wheatley vào năm 1982 IGBT kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khảnăng chịu tải lớn của TRANSISTOR thường

Các thiết bị chuyển mạch điện tử phổ biến trước đây là BJT (Bipolar JunctionTransistor) và MOSFET Tuy nhiên cả hai thiết bị này đều có những mặt hạn chế đểhoạt động ở dòng điện cao Chúng ta có thể xem IGBT là sự kết hợp của BJT vàMOSFET, áp dụng khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu tải lớncủa BJT IGBT cũng là một phần tử được điều khiển bằng điện áp, vì vậy công suấtđiều khiển yêu cầu sẽ cực nhỏ

Về cấu trúc bán dẫn, IGBT rất giống với MOSFET, điểm khác nhau là có thêmlớp nối với collector tạo nên cấu trúc bán dẫn P-N-P giữa emiter (tương tự cực gốc)với collector (tương tự với cực máng), mà không phải là kênh N-N như ở MOSFET

Vì thế có thể coi IGBT tương đương với một transistor P-N-P với dòng base được điềukhiển bởi một MOSFET

Hình 2.1: Cấu tạo IGBT

Vì sự kết hợp này mà IGBT còn được gọi bằng một số tên khách như: InsulatedGate Transistor (IGT), Metal Oxide Semiconductor Insulated Gate Transistor(MOSIGT), Gain Modulated Field Effect Transistor (GEMFET), ConductivelyModulated Field Effect Transistor (COMFET).

2.1.2 Nguyên lý hoạt động của IGBT

IGBT bao gồm 3 cực được gắn với 3 lớp kim loại khác nhau và lớp lớp kim loại

ở cổng vào (Gate) được phủ một lớp silicon dioxide cách điện Ở gần lớp Collector làmột lớp P+ được đặt trên một lớp N- Một lớp P khác được đặt gần Emitter và bêntrong lớp P đó chúng ta còn có một lớp P+ Phần tiếp giữa giữa P+ và N- được gọi làJ2 và giữa N- và p là J1 Bạn có thể tham khảo cấu trúc IGBT qua hình ảnh sau đây

Hình 2.2: Nguyên lý hoạt động của IGBT

Để hiểu nguyên lý hoạt động của IGBT, hãy xem xét nguồn điện áp dương VG

được nối với cổng Gate Một nguồn điện áp dương VCC khác được nối với Emitter vàCollector Do nguồn điện áp VCC, tiếp điểm J1 sẽ được phân cực thuận còn J2 sẽ phâncực nghịch Với đặc tính này, sẽ không có bất cứ dòng điện nào bên trong IGBT (từEmitter đến Collector)

Ban đầu, không có bất cứ dòng điện nào chạy qua cổng Gate, lúc này IGBT ởtrạng thái không dẫn điện Khi chúng ta tăng điện áp qua cổng Gate, theo hiệu ứngđiện dung trên lớp SiO2, các ion mang điện trở âm sẽ tích tụ trên mặt trên còn các ionmang điện trở dương sẽ tích ở bề mặt dưới của lớp SiO2.

Điều này dẫn đến hiện tượng tăng cao của các hạt mang điện tích âm ở lớp P.Điện áp ở VG càng cao thì các hạt mang điện tích âm càng được tích tụ nhiều hơn Từđây sẽ hình thành đường dẫn ở tiếp điểm J2 cho phép dòng điện chạy từ Collector sangEmitter Khi dòng điện vào VG càng cao thì dòng điện chạy từ Collector sang Emittercũng tăng lên

Các thông số đặc trưng của IGBT:

Nhà sản xuất linh kiện đưa ra các thông số đặc trưng sau đây để quy định khảnăng làm việc cực đại và cực tiểu cho phép của IGBT

 Điện áp lớn nhất cho phép: VCES

 Dòng điện chịu tải lớn nhất IC (được đo ở nhiệt độ cụ thể)

 Dòng điện lớn nhất có thể lặp lại ICM là dòng điện cực đại quá độ mà IGBT

có thể chịu được, có trị số cao hơn IC

 Giới hạn điện áp kích ở cực cổng: VGES Chiều dày và đặc tính oxit ở cổngxác định điện áp này Điện áp cổng phải giới hạn thấp hơn để hạn chế dòng điện

IC khi bị sự cố

 Dòng điện tải cảm ILM: là dòng điện cực đại lặp lại mà IGBT có thể cắt đượckhi làm việc có dòng điện phục hồi qua diode thoát nối song song với tải cảm vàlàm tăng tổn hao chuyển mạch

 Điện áp rơi bão hòa VCESAT

 Điện tích cổng QC giúp thiết kế mạch điều khiển cổng thích hợp và tính toángần đúng tổn hao Thông số này thay đổi theo điện áp UGE

Do cấu trúc P – N – P mà điện áp thuận giữa C và E trong chế độ dẫn dòng ởIGBT thấp hơn hẳn so với MOSFET Tuy nhiên do cấu trúc này làm cho thời gianđóng cắt của IGBT chậm hơn so với MOSFET, đặc biệt là khi khóa lại

Trên hình vẽ thể hiện cấu trúc tương đương của IGBT với MOSFET và mộtTranzitor P – N – P Ký hiệu dòng qua IGBT gồm hai thành phần: i1 dòng quaMOSFET, i2 dòng qua Tranzitor.

Phần MOSFET trong IGBT có thể khóa lại nhanh chóng nếu xả hết được điệntích giữa G và E, do đó dòng i1= 0, tuy nhiên i2 sẽ không suy giảm nhanh chóng được

do lượng điện tích lũy trong (tương đươngvới bazo của cấu trúc p-N-P) chỉ có thể mất

đi do quá trình tự trung hòa điện tích Điều này xuất hiện vùng dòng điện kéo dài khikhóa IGBT

Sơ đồ thử nghiệm một khóa IGBT:

Hình 2.3: Mạch ví dụ điều hiển IGBT

2.1.3 Điều khiển IGBT

IGBT là phần tử điều khiển bằng điện áp, giống như MOSFET, nêu yêu cầu điện

áp có mặt liên tục trên cực điều khiển và emitor để xác định chế độ khóa, mở Mạchđiều khiển cho IGBT có yêu cầu tối thiểu như được biểu diễn sơ đồ như hình dưới:

Hình 2.4: Mạch Driver IGBT

Tín hiệu mở có biên độ UGE, tín hiệu khóa có biên độ – UGE cung cấp cho mạch

G – E qua điện trở RG Mạch G – E được bảo vệ bởi diode ổn áp ở mức khoảng 18V

+/-Do có tụ ký sinh lớn giữa G và E nên kỹ thuật điều khiển như điều khiểnMOSFET có thể được áp dụng, tuy nhiên điện áp khóa phải lớn hơn Nói chung, tínhiệu điều khiển thường được chọn là + 15V và – 15V là phù hợp

Vấn đề bảo vệ IGBT và giải pháp

Thông thường IGBT được sử dụng trong những mạch đóng cắt tần số cao, từ 2đến hàng chục kHz Ở tần số đóng cắt cao như vậy, những sự cố có thể phá hủy phần

tử rất nhanh và dẫn đến phá hỏng toàn bộ thiết bị Sự cố thường xảy ra nhất là quádòng do ngắn mạch từ phía tải hoặc từ các phần tử có lỗi do chế tạo hoặc lắp ráp

Có thể ngắt dòng IGBT bằng cách đưa điện áp điều khiển về giá trị âm Tuynhiên quá tải dòng điện có thể đưa IGBT ra khỏi chế độ bão hòa dẫn đến công suấtphát nhiệt tăng đột ngột, phá hủy phần tử sau vài chu kỳ đóng cắt Mặt khác khi khóaIGBT lại trong một thời gian rất ngắn khi dòng điện rất lớn dấn đến tốc độ tăng dòngquá lớn, gây quá áp trên collector, emiter, lập tức đánh thủng phần tử Trong sự cố quádòng, không thể tiếp tục điều khiển IGBT bằng những xung ngắn theo quy luật như cũ,cũng không đơn giản là ngắt xung điều khiển để dập tắt dòng điện được

Giải pháp:

Giải pháp tối ưu được đưa ra là làm chậm lại quá trình khóa của IGBT Hay còngọi là khóa mềm (soft turn-off) khi phát hiện có sự cố dòng tăng quá mức cho phép.Trong trường hợp này điện áp trên cực điều khiển Và emito được giảm đi từ tử vềđiện áp âm khi khóa IGBT sẽ chuyển về trạng thái khóa qua chế độ tuyến tính Do đódòng điện bị hạn chế và giảm dần về không Tránh được quá áp trên phần tử Thờigian khóa của IGBT có thể kéo dài 5 đến 10 lần thời gian khóa thông thường

Ƣu điểm và nhƣợc điểm của IGBT

Với những tính năng ưu việt kể trên, IGBT kỳ vọng sẽ dần thay thế tất cả nhữnglinh kiện bán dẫn khóa khác Bên cạnh những ưu điểm vượt trội thì vẫn tồn tại một sốhạn chế được trình bày như sau:

 Ƣu điểm

 Cho phép việc đóng ngắt dễ dàng, chức năng điều khiển nhanh chóng

 Chịu được điện áp lớn, thường là 600V đến 1,5kV Còn có một số loại đượcchế tạo đặc biệt hơn để chịu được điện áp lớn hơn nữa

 Tải dòng lớn, cỡ xấp xỉ 1kA Sụt áp bé và điều khiển bằng áp

 Hạn chế

- Tần số thấp hơn so với MOSFET, do vậy những ứng dụng cần tần số cao vàđiện áp 400V thì MOSFET vẫn được ưu tiên hơn

- Công suất vừa

- Giá thành cao hơn so với các linh kiện khác Kéo theo các thiết bị có sử dụnglinh kiện này cũng có giá thành cao

2.2 Nguyên lý hoạt động máy hàn điện tử[4], [5]

2.2.1 Sơ đồ khối:

Hình 2.5: Sơ đồ hối máy hàn

Điện áp lưới 220V/50HZ được vào chia làm 2 hướng, 1 là chỉnh lưu và lọc trên

tụ để có điện áp 300V DC cho phần công suất, hướng còn lại được chỉnh lưu và đưavào khối nguồn cấp trước để tạo các mức điện áp thấp như +15V,-15V, +24V,+5V,

để cấp cho các khối điều khiển, quạt làm mát và relay bảo vệ

Sau khi khối nguồn cấp trước hoạt động sẽ cấp nguồn cho các khối đồng thờiđóng relay cấp nguồn cho khối công suất, khối điều khiển sẽ phát các xung PWM đểđiều khiển các IGBT hoạt động ở chế độ Full-Bridge hoặc Half-Bridge tùy theo từng

loại máy[5] Thông qua biến áp tạo dòng điện xoay chiều sóng vuông ở tần số cao sau

đó được chỉnh lưu để đưa ra 2 cọc hàn

Hình 2.6: M tả hối c ng suất máy hàn Inverter

2.2.2 Khối nguồn

Vai trò: Gồm 2 khối là nguồn cấp trước và nguồn cấp sau

Nguồn cấp trước là khối nguồn sẽ được hoạt động ngay khi được cấp điện, nó sẽcung cấp các mức điện áp thấp như +15V, -15V, +24V, +5V cho các khối Driver, điềukhiển, quạt, hiển thị và đặc biệt sẽ cấp cho relay (nếu nguồn cấp trước không bị lỗi)đóng để cấp nguồn cho nguồn cấp sau từ đó máy hàn hoạt động

Hình 2.7: Sơ đồ hối nguồn cấp trước