đề tài thiết kế bộ nguồn cho máy hàn tự động dùng thyristor

ế ạĐể hiểu rõ được vai trò của điện tử công su t và các loấ ại máy hàn trong đó có hàn tự động.. Trong bản đồ án môn học này được sự hướng d n c a các th y trong b môn vẫ ủ ầ ộ ới đề tài

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

LỜI NÓI ĐẦU 3

CHƯƠNG 1: TÌM HI U CÔNG NGHỆ 4Ể1.1 Nguyên lý của hàn m t chi u 4ộ ề1.2 Cấu trúc máy hàn 5

1.3 Phân lo i 5ạ1.4 Các yêu c u khi làm vi c 5ầ ệCHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 6

2.1 Nhận xét các sơ đồ 6

2.2 Sơ đồ ầu 3 pha có điề c u khiển 7

2.3 Tính toán các tham số của sơ đồ 8

2.4 Tính toán cuộn kháng l c 11ọCHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN MẠCH ĐI U KHI N 12Ề Ể3.1 Nguyên tắc điều khiển 12

3.2 Thiết k mế ạch điều khi n 12ểKẾT LUẬN 24

TÀI LI U THAM KHỆ ẢO 25

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây vớ ựi s phát tri n ngày càng m nh m c a n n kinh t xã h i, ể ạ ẽ ủ ề ế ộcác lĩnh vực khoa h c, k thu t ọ ỹ ậ ứng d ng vào các ngành công nghi p nói chung và ngành công ụ ệnghiệp điện tử nói riêng, các thiết bị điện tử công suất được ứng dụng và được chế tạo ngày càng nhiều, đặc bi t là ng d ng vào các ngành kinh t quệ ứ ụ ế ốc dân và đời s ng, làm cho yêu c u ố ầvề s hi u bi t và thi t kự ể ế ế ế các loại thi t b này h t sế ị ế ức cần thiết đố ớ ỹ i v i k sư ngành điện

Cùng v i s phát tri n cớ ự ể ủa ngành điện tử công su t thì vi c ấ ệ ứng d ng r ng rãi các lo i máy ụ ộ ạhàn vào công nghi p là h t s c quan tr ng nói m t cách c thệ ế ứ ọ ộ ụ ể hơn là đố ới các ngành cơ i vkhí ch t o ế ạ

Để hiểu rõ được vai trò của điện tử công su t và các loấ ại máy hàn trong đó có hàn tự động Trong bản đồ án môn học này được sự hướng d n c a các th y trong b môn vẫ ủ ầ ộ ới đề tài:

“THIẾT KẾ B NGUỘ ỒN CHO MÁY HÀN T DỰ ỘNG DÙNG THYRISTOR’’ Em có đưa ra một số phương án trình bày trong bản đồ án thiết kế Tuy nhiên với sự hiểu biết và nh ng ki n thữ ế ức đã học còn h n ch nên bài làm c a em không tránh kh i nh ng thi u ạ ế ủ ỏ ữ ếsót nhất định Em r t mong nhấ ận đượ ực s góp ý và ch b o c a các thỉ ả ủ ầy cô giáo để ản đồ b án của em được hoàn thiện hơn.

Em xin chân thành cảm ơn

Sinh viên

Phan Đức Minh

CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ

1.1.1 Định nghĩa

Hàn là quá trình nối hai v t li u b ng kim lo i vói nhau b ng cách nung nóng ch nậ ệ ằ ạ ằ ỗ ối đến nóng ch y hoả ặc gần nóng ch y ả

1.1.2 Nguyên lý của hàn m t chi u ộ ề

Là m t dộ ạng phóng điện trong ch t khí v i mấ ớ ật độ dòng điệ ớn l n (102 đến 10 A/mm ) t o 32 ạhiện tượng hồ quang điện làm nóng chảy kim loạ … Ởi 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 thu c vào tính ch t ch t khí, áp su t c a nó, nhiộ ấ ấ ấ ủ ệt độ môi trường, v t liậ ệu làm điện c c, ựđộ ớ l n 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 l n s nung kim lo i ch ti p xúc nóng chớ ẻ ạ ổ ế ảy Thường sử dụng đoạn đặc tính CD để hàn

Hình 1.1 Đặc tính VA

Trong t t c ấ ả các phương pháp ghép nối các chi ti t vế ới 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 nghi p, xây d ng, ch t o máyệ ự ế ạ , v.v… và hàn điện đã trở thành m t ph n t t ộ ầ ấyếu không th thiể ếu Phương pháp hàn điện có những ưu điểm nổi b t sau:ậ

Khả năng ghép nối các chi ti t cao vế ới chất lượng mối hàn t t ố Chi phí s n xu t hả ấ ạ, cho năng suất lao động cao

Ít tiêu hao nguyên vật li u ệ

Ih

B

U

Bảo v ệ môi trường v sinh công nghi p ệ ệ

Công nghệ đơn giản, kh ả năng cơ giới hóa và tự động hóa cao

a Theo ch ế 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 gi m d n v không

Kiểu có xung: cũng như trên nhưng dòng khống chế được điều ch m t t n s nào ế ộ ầ ốđó Độ rộng và chu kỳ cũng có thể thay đổi cho phù hợp với vật

b Phân lo i theo ki u máy có 3 lo i: ạ ể ạ Máy dùng chỉnh lưu diode Máy dùng chỉnh lưu bằng Thyristor Máy inveter

c Phân lo i theo dòng hàn có 2 lo i: ạ ạ Máy hàn DC

Inveter AC → DC → AC → DC Thyristor AC → DC

Nguồn hàn ph i có kh ả ả năng điều chỉnh được dòng hàn

Đường đặc tính ngoài của nguồn hàn phải đáp ứng đượ ừng phương pháp hàn cục tthể ở đây là hàn t ự động thì đường đặc tính ngoài ph i c ng ả ứ

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

Để cấp ngu n cho tải một chiều, chúng ta cần thiết kế các bộ chồ ỉnh lưu với mục đích biến đổi năn n xoay chi thành năng lượng điện một chi u Các lo i b biề ạ ộ ến đổi này có thể s dử ụng 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

a Ưu và nhược điểm của chỉnh lưu tia 3 pha

Ưu điểm: so v i chớ ỉnh lưu một pha thì chỉnh lưu tia 3 pha có chất lượng điện áp một chi u ềtốt 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 và nhược điểm của sơ đồ ầ c u 3 pha không đố ứi x ng

Ưu điểm: sơ đồ có ít kênh điều khiển hơn so với sơ đồ ầu 3 pha đố ứng nên điề c i x u khiển dễ dàng hơn, đầu tư ít hơn

Nhược điểm: điện áp ra không đượ ốt như sơ đồ ầu 3 pha đốc t c i x ng, dứ ải điều chỉnh điện áp không l n l m ớ ắ

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 s dử ụng bi n áp t t nh t ế ố ấ

Nhược điểm: cần ph i m ng thả ở đồ ời hai van theo đúng thứ tự pha nên r t ph c t p, nó gây ấ ứ ạkhó khăn khi chế tạo vận hành và sửa ch a ữ

Đề bài đã cho: Thi t k b chế ế ộ ỉnh lưu dùng cho máy hàn một chi u có các thông s : ề ố

Sơ bộ ta có công suất một chiều P = U I = 60 500 = 30000 W ddd

Theo các tài liệu cho th y: ấ

Công su t > 5 kấ W ta dùng sơ đồ chỉnh lưu ba pha Đện áp một chiều ra tải cao > 30 V nên dùng sơ đồ hình cầu

Điện áp chỉnh lưu nhỏ hơn nhiều so với lưới nên ph i s d ng BA ngu n ả ử ụ ồ Vì vậy ta chọn sơ đồ ầu ba pha có điề c u khi n là thích h p nh t ể ợ ấ

2.2 SƠ ĐỒ CẦU 3 PHA CÓ ĐIỀU KHIỂN

2.2.1 Sơ đồ và đồ thị

Hình 2.1 Sơ đồ

2.2.2 Công th c tính toán ứ (áp d ng Giáo trình ụ điện t công su t c a th y Tr n Tr ng Minh, ử ấ ủ ầ ầ ọ

Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải)

α1 = α2 = α3 = α4 = α5 = α6 = = 30° αNếu α ≤ 60O thì:

Sba = 1,05.Pd max (khi góc mở = 0)

RLR

Hình 2.2 Đồ th ị điện áp

2.3.1 Phía nguồn MBA (ch n MBA ba pha ba trọ ụ)

Điện áp sơ cấp MBA: U = 3 × 380 (V) 1

Công su t m t chi u: ấ ộ ề

Pd = Ud d .I = 60 500 = 30000 (W) Công su t MBA: ấ

Sba = 1,05 30000 = 31500 (VA) Ta có phương trình cân bằng điện áp:

ΔUba = 5% U = 0,05 60 = 3 (V) d0 U = d U – ∑ΔU = 60 – (3,2 + 3,15 + d0

Điện áp pha thứ cấp MBA là 25,64 (V)

Dòng hiệu d ng th c p là: I = 0,816I = 0,816 500 = 408 (A) ụ ứ ấ 2d

Dòng sơ cấp MBA: I = I1 2.Kba = 2 2

1U .IU = 25.64

380 408 = 27,5 (V)

Số vòng/vôn = 4,44.BT.f.Q.B = 4,44 1 50 61,48 10 = 1,36 (vòng/vôn) –4

Số vòng dây sơ cấp: 11

Số vòng dây th c p:ứ ấ 22

Ungv = kdtU.ULV = 1,6 62,8 = 100 (V), v i k : h s d tr ớ dtU ệ ố ự ữ điện áp, ch n k = 1,6 ọ dtU

Dòng điện làm việc của van: ITBVAN Id 500 166,6

U= 2,7 V Igm = 150 mA Ugm = 4 V

dU/dt = 50 1000 V/ s –di/dt = 40 200 A/ s –Toff = 150 70 s –

Tính toán b o v : ả ệ

Bảo v ệ dòng điện di/dt = 40 200 A/– s cho van:

Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực, t ng b o v khi quá t i và ng t m ch ự độ ả ệ ả ắ ạThyristor, ngắn mạch đầu ra b biộ ến đổi, ng n mắ ạch thứ ấ c p máy bi n áp ế Chọn Aptomat có: Iđm = 1,1.I = 1,1 27,5 = 30,3 (A) 1

Chỉnh định dòng ngắn mạch: I = 2,5.I = 2,5 27,5 = 68,8 (A) nm1

Dòng quá tải: I = 1,5.I = 1,5 27,5 = 41,3 (A) qt1

Bảo v ệ quá điện áp cho van: người ta chia làm 2 loại nguyên nhân gây ra quá điện áp: Nguyên nhân bên trong: s tích tự ụ điện tích trong các l p bán d n Khi khoá ớ ẫ

Thyristor bằng điện áp ngược, các điện tích nói trên đổi ngượ ạ ạo ra dòng điệc l i t n

trong kho ng th i gian r t ng n S bi n thiên nhanh chóng cả ờ ấ ắ ự ế ủa dòng điện ngược gây ra sức điện động c m ng r t lả ứ ấ ớn trong các điện c m Do v y gi a anot và catot ả ậ ữcủa Thyristor xu t hiấ ện quá điện áp

Nguyên nhân bên ngoài: những nguyên nhân này thường x y ra ngả ẫu nhiên như khi cắt không t i m t máy biả ộ ến áp trên đường dây, khi có s m sét ấ …

Để bảo vệ quá điện áp , người ta thường dùng mạch RC đấu song song v i Thyristor ớnhằm b o vả ệ quá điện áp do tích tụ điện tích khi chuy n m ch gây nên Mể ạ ạch RC đấu gi a ữcác pha th cứ ấp MBA là để ả b o vệ quá điện áp do c t không t i MBA gây nên Trong m ch ắ ả ạbảo v quá ệ điện áp ta chọn R = 80 , C = 0,25 F

= , với sơ đồ ầu 3 pha điề c u khiển đối x ng ta có: K = 0,057 K = ứ đmrsb

I = = ( ) Ω a có giá trị điện c m: ả

Biên độ dòng xoay chi u bề ậc 1: I1m = 10%.I = 50 (A) đm

Do dòng điện cuộn kháng lớn và điện trở bé, do đó ta có thể coi tổng trở cuộn kháng xấp xỉ điện kháng: Z l X = wl = 2 f 4,65.10 = 0,15 l π –4 (Ω)

Điện áp rơi trên cuộn kháng lọc: 1m

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỀU KHIỂN

Hình dưới là sơ đồ ấu trúc và đồ c thị minh hoạ Ở đây khâu Ut tạo ra điện áp tựa có d ng ạcố định (thường có dạng răng cưa, đôi khi hình sin) theo chu k do nhỳ ịp đồng b c a U khâu ộ ủ đb

so sánh SS xác định thời điểm cân b ng cằ ủa 2 điện áp U và Utđk để phát động khâu t o xung ạTX Như vậy trong nguyên t c này thắ ời điểm phát xung mở van hay góc điều khiển thay đổi do sự thay đổi tr s c a U , trị ố ủ đk ấn đồ ị đó là sự th di chuy n theo chi u d c c a trể ề ọ ủ ục biên độ Đa số mạch điều khiển thực tế sử d ng nguyên tắc này ụ

Hình 3.1 Sơ đồ kh i ố

Hình 3.2 Sơ đồ điện áp

3.2.1 Tính toán các khâu trong mạch điều khi n ể

a Tính toán khâu đồng b ộ

Hnh 3.3 Sơ đồ mạch Hình 3.4 Sơ đồ điện áp

Để điện tr u vào của OAở đầ 1 là l n, ta chớ ọn điện trở R có giá tr là 100 k ị

b Khâu tạo điện áp răng cưa

Hnh 3.5 Sơ đồ mạch Hình 3.6 Sơ đồ điện áp

Tính toán: Chu kì của điện áp lưới là: T 1 1f 50

= = = 0,02 (s) = 20 (ms) tương ứng với 360°

U2U ~

- E+ E

32 1

+ E+E2

- E

Chu kì của điện áp răng cưa là: T = rc T

2 = 10 (ms) tương ứng v i 180°ớMặt khác T = T + Trcpn, trong đó: T : thp ời gian phóng c a t Củ ụ 1

Tn: th i gian n p cờ ạ ủa tụ C1

Như trên ta đã chọn = 5°, tức là T = 10° T = 180° np – 10° = 170° tương ứng với thời gian là: T = p 170 10"

180 = 9,4 (ms), T = n 10 10"

180 = 0,6 (ms) Chọn giá trị của tụ c1= 0,2 F μ

Gọi dòng địên trong quá trình nạp là I Sau khon ảng thời gian t = t = 0,6 (ms)n thì điện áp trên t t giá tr ụ đạ ịU , v y ta có: C0 ậ

-123

2RT 2R C ln 1

2.152R 2.10.10 ln 1

(Ω)

Chọn trị s c a R là 2,5 kố ủ 8 , để có sườn xung dốc đứng ta nên s dử ụng lo i OA có tham ạsố v tề ốc độ tăng áp lớn (như lF351) hoặc dùng comparator (như LM301, LM339…), các loại OA thông dụng như LM324, a741 cho xung không th t d c v i khu v c t n s tr n 10 (kHz) ậ ố ớ ự ầ ố ấ

-123

e Khâu tr n xungộ

Khâu tr n xung s d ng IC các cộ ử ụ ổng AND có 3 đầu vào v i các thông s : ngu n nuôi IC ớ ố ồVcc = 3 15 (V), ta ch n V = 12 V – ọ cc

Nhiệt độ làm vi c: 40°C 80°C ệ – – Điện áp ng vứ ới mức logic “1”: 2 –,5 4,5 V Dòng điện nhỏ hơn 1 mA

Bảng chân lí của cổng AND:

Chọn điện áp trên điện trở shunt U = 2,5 V Rs

RS

Công su t c p cho các kh i là r t nhấ ấ ố ấ ỏ, thông thường ta ch n thông s c a các bi n áp c a ọ ố ủ ế ủ

các khối như sau:

Khâu ổn áp: U = 17 V; I = 0,6 A 2_12_1

Công su t c a khâu n áp là: P ấ ủ ổ 2_1= U2_1.I2_1 = 17.0,6 = 10,2 (W) Khâu nguồn công su t: U 10 V; I = 1 A ấ 2_2= 2_2

Công su t cấ ủa nguồ ổn n áp là: P2_2 = U2_2.I2_2 = 10.1 = 10 (W) Khâu đồng pha: U 12 V; I = 0,1 A 2_3= 2_3

Công su t cấ ủa nguồ đồn ng pha là: P 2_3= U2_3.I2_3 = 24.0,1 = 2,4 (W) T ng công su t c a c ba khâu là: ổ ấ ủ ả

P = P + P + P = 10,2 + 10 + 2,4 = 22,6 (W) 2_12_22_3

Dòng điện sơ cấp trong máy biến áp là: 1

Tính toán khâu ch nh lỉ ưu v ổà n áp

Tạo ngu n nuôi E =12 V, ta dùng m ch chồ ạ ỉnh lưu cầu 1 pha dùng diode, điện áp th c p ứ ấmáy bi n áp ngu n nuôi U =17 V.ế ồ 2

Để ổn định điện áp ra c a ngu n nuôi ta dùng 2 IC n áp 7812 và 7912, các thông s chung ủ ồ ổ ố

của vi mạch này:

Điện áp đầu vào: U = 7 v – 35 V Điện áp đầu ra: U = 12 V vra ới IC 7812

U = 12 V v i IC 7912 ra – ớ Dòng điện đầu ra: I = 0 ra – 1 A

Tụ điện C , C 45dùng để ọc thành phầ l n sóng hài bậc cao Chọn: C = C có 50 V/1000 F 11’ μ

C = C có 25 V/1000 F 22’ μC = C = 1 F 33’ μChọn C có 25 V/1000 F 4 μ

Các diode D D ch n lo1 – 8 ọ ại diode thông thường có các thông s : I = 1 A, U = 200 V ố tbđm

h Khu ch i xung & Bi n áp xungế đạ ế

việc trên một ph n cầ ủa đặc tính từ hóa: Bs = 0,45 t, độ ừ ẩ t th m A = 6000 A/m, di n tích lõi 1 ệcm2

32

Số vòng dây cuộn sơ cấp BAX: 1 x1

U TW

Số vòng dây cu n th c p BAX: ộ ứ ấ 12 W 62

Iec = 2 A

= 120 (ở đây sử dụng = 10.)

Uec = 35 V Iec = 150 mA

= 100 (ở đây sử dụng = 10.)

ECT1BT1

3.2.2 Sơ đồ nguyên lý và thuy t minh ế

Hình 3.16 Sơ đồ điện áp

b Thuy t minhế

Khi cấp nguồn vào sơ cấp của biến áp đồng pha, phía th c p c a biứ ấ ủ ến áp được h áp sau ạkhi qua m ch chạ ỉnh lưu có điểm trung tính điện áp U 1là điện áp m t chi u nộ ề ửa hình sin Điện áp m t chi u n a hình sin t i Uộ ề ử ạ 1 được đưa vào cực (+) c a OA so sánh vủ 1 ới điện áp ph ng U ẳđược đặt vào cực (– ủ) c a OA1 do E , VR và R t112 ạo ra K t qu ta đư c tín hiệu đầu ra U cế ả ợ 2 ủa OA1 có dạng xung vuông đồng b vộ ới lư i ớ

Điện áp dạng xung vuông sau khi được tạo ra ở khâu đồng b ộ trước đó được đưa vào khâu tạo điện áp răng cưa Khi U có giá tr2 ị âm, diode D m3 ở, tụ C 1được nạp theo chiều từ U qua 3

tụ C qua R qua diode D v U Khi U có giá tr133 ề 22 ị dương, transistor T mở diode D khoá lúc 3

này t C phóng t +C qua transistor T v ụ 1 ừ 1 ề –C1 Kết quả ta được U có d3 ạng điện áp răng cưa.Điện áp điều khiển được lấy từ điện áp phản hồi trên điện trở shunt được khuyếch đại lên để có độ lớn thích hợp, sau khi qua khâu khuyếch đại đảo và khâu PI l c sai số động ta được ọUđk có dạng đường th ng ẳ

Điện áp răng cưa U3 được đưa vào cửa (–) của OA3 và so sánh với điện áp điều khiển Uđk

được đưa vào cửa (+) Khi U > U3đk thì điện áp đầu ra của OA3 là U có giá tr 4 ị âm Ngượ ạc l i, khi U < U 3đkthì điện áp đầu ra U có giá tr 4 ị dương Kết qu ả ta được U4 có dạng xung vuông

Khâu phát xung chùm có tác d ng tụ ạo ra chùm xung dướ ựi s phóng n p c a t C d có ạ ủ ụ 29

tác d ng lo i bụ ạ ỏ xung âm Do đó tín hiệu điện áp U có d6 ạng xung chùm dương Điện áp U 4

được trộn v i xung chùm U bớ 6 ởi IC4081 rồi được đưa qua tầng khuyếch đại do tín hiệu xung vẫn chưa đủ ớn để l kích mở Thyristor

Tầng khuếch đạ ồi g m các transistor m c theo ki u Darắ ể lington, xung dương được đặt vào bazơ của TR làm TR m1 1 ở đồng thời TR m2 ở theo khi đó có xung đi vào biến áp xung trên cuộn th c p cứ ấ ủa biến áp xung có xung để kích mở thyristo Khi điện áp trên biến áp xung giảm đột ngột, cuộn dây của bi n áp xung xu t hi n sế ấ ệ ức điện động c m ả ứng ngược dấu lúc đó diode D và D có tác d ng tr4 7 ụ ả ngược điện áp d p t t sậ ắ ức điện động để ả b o v các transistor ệkhỏi bị quá áp