bài tập lớn thiết kế bộ nguồn cho máy hàn một chiều tự động dùng thyristor

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘITRƯỜNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬBÀI TẬP LỚNMÔN:ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤTĐề tài:Thiết kế bộ nguồn cho máy hàn một chiều tự động dùng Thyristor... Nguyên lý của hàn một chiềuLà một dạ

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

BÀI TẬP LỚN MÔN:ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Đề tài:

Thiết kế bộ nguồn cho máy hàn một chiều tự động dùng Thyristor

Hà Nội, tháng 1 năm 2024

MỤC LỤC

I Tìm hiểu công nghệ

1.1 Nguyên lý của hàn một chiều

1.2 Cấu trúc máy hàn

1.3 Phân loại máy hàn

1.4 Các yêu cầu khi làm việc

II Lựa chọn phương án thiết kế

2.1 Nhận xét các sơ đồ

2.2 Sơ đồ cầu 3 pha có điều khiển

2.3 Tính toán các tham số của sơ đồ

2.4 Tính toán cuộn kháng lọc

III Tài liệu tham khảo

I.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 đến 102 3A/mm2 ) 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

Ih

A

B

+ Công nghệ đơn giản, khả năng cơ giới hóa và tự động hóa cao

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

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

II.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 :

3x380 80 600

Sơ bộ ta có công suất một chiều P = U I =80 600=48000wd d d

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

- 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:

Hình 2.2 Đồ thị điện áp

α1=α2=α α α3= 4= 5= α6= =30 α

Nếu α≤600

Udα=Ud 0 cos α=2 ,34 U2 cos α

ITBV=Id

3

Ung max= √ 6 U2

Sba=1,05 Pd max ( khi góc mở = 0 )

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 =3 X 380 (V)1

- Công suất một chiều:

- Công suất MBA:

VA

- Ta có phương trình cân bằng điện áp:

Ud 0= ∑ ΔU +Ud

Với∑ ΔU = ΔUV+ ΔUL+ΔUB

ΔUL=3,5 V, ΔUV=2 1,6=3,2 V

=69,3 (V) Với sơ đồ 3 pha có điều khiển ta có công thức sau: mà Ud 0=2,34 U2.cos α

Ud 0

=

- Điện áp pha thứ cấp MBA là: 34 (V )

Dòng hiệu dụng thứ cấp là:

- Dòng sơ cấp MBA:

Hình 2.3 : Sơ đồ mạch lực

I1 = I2.Kba =

U2

U1 I2

- Số vòng / vôn: 4 ,44 BT f Q B=4,44 1 50 61 48 10 , =1,3 ( vòng/ vôn )

- Số vòng dây sơ cấp: W1= U1

1,36 =

380 1,36 =280( vòng / vôn )

2.3.2.Phía mạch lực: tính toán chọn van

- Điện áp chỉnh lưu không tải :

-Điện áp ngược đặt lên van là: Ungmax = √ 6U2 = √ 6.33 =80.5 ( v)

- Điện áp ngược lớn nhất mà van phải chịu:

- Dòng điện làm việc của van: : ITBVAN = 200 (A)

Chọn chế độ làm mát cho van là quạt thông gió và cánh tản nhiệt, chọn hệ số dự trữ dòng điện:KDTI = 2 vậy van phải chịu được dòng điện là: : IV = K IDTI TBVAN = 2.200 = 400 (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:

Imax = 1200A

U =2.7V

Igm = 150 mA

Ugm =4 V

dU/dt = 50 – 1000 V/ s

di/dt = 40 - 200 A/ s

Toff =150 - 70 s

a Tính toán bảo vệ:

* Bảo vệ dòng điện di/dt = 40 - 200 A/ s cho van:

+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 = 1,1.I = 1,1.14,1 = 15,51 (A) đm 1

+ Chỉnh định dòng ngắn mạch: I = 2,5.I = 2,5.14,1 = 35,25(A)nm 1

+ Dòng quá tải: I = 1,5.I = 1,5.14,1 = 21,15 (A)qt 1

* 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=80 , C=0,25 F

2.4.Tính toán cuộn kháng lọc:

Với yêu cầu của điện áp hàn có K = đmv

Kdm 1 cos 30 =0, 23 , hệ số san bằng của mạch lọc: K =sb

Kdmv

Kdmr, với sơ đồ cầu 3 pha điều khiển đối xứng ta có: K = 0,057

đmr ⇒ K = sb

Kdmv

Kdmr=

0 , 23

0 , 057 =4 , 03

vậy : điện cảm yêu cầu của cuộn kháng lọc :

dòng định mức chạy qua cuộn kháng: I =600 (A)dm

biên độ dòng xoay chiều bậc 1: I1m=10%Idm=60 (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¿Xl = wl = 2.π.f.5,12.10-4 = 0,16( )

điện áp rơi trên cuộn kháng lọc: ΔUL=ZL. 1 m

√ 2 = 0,16. = 6,8 (v )

III.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 khoa học kỹ thuật

3 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