giáo trình hàn hồ quang điện

Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hng Lớp TĐH2 K46 Chơng 2 : Thiết kế mạch lực I Sơ đồ và nguyên lý hoạt động: 1. Sơ đồ 2. Nguyên lý hoạt động Để cung cấp nguồn điện cho hàn hồ quang, ta sử dụng sơ đồ chỉnh lu một pha hai nửa chu kì có điểm giữa. II. Tính toán các thông số cơ bản của mạch: Theo đề ra ta có các thông số : +) Nguồn điện xoay chiều: 380 V, 50 Hz +) Điện áp hở mạch: U hh = 60 (V) +) Dòng điện cực đại: I max = 600 (A) ( = 240) a) Điện áp: - Điện áp chỉnh lu không tải (hở mạch) sẽ là: U d = U do . Cos o = U ho + U ba + U v + U dây Trong đó: U v : sụt áp trên van = 1,5 V U dây : sụt áp trên dây dẫn = 0 U ba =U r + U x : sụt áp trên điện trở và điện kháng máy biến áp = 4% + 1,5% = 5,5% o : là góc mở của thyristor khi hở mạch, ta chọn o = 60 o Thay các thông số ta đợc : U do .cos o = 60. 1,055 + 1,5 = 64,8 (V) U do = 2. 64,8 = 129,6 (V) - Điện áp thứ cấp MBA: U 2 = 22. .U do = 144 (V) - Tỷ số MBA: m = 1 2 U U = 380 144 = 0,38 - Điện áp ngợc lớn nhất mà mỗi Thyristor phải chịu: U m = 2 2 U 2 = 407,3 (V) - 1 - Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hng Lớp TĐH2 K46 b) Dòng điện: - Trị trung bình cực đại dòng điện chảy trong mỗi Thyristor : I tbmax = 2 maxd I = 2 600 = 300 (A) (120A) - Trị hiệu dụng cực đại chảy qua thứ cấp MBA: I 2max = 2 maxd I = 2 600 = 424 (A) XXX ( 240/1.41 =170) - Trị hiệu dụng cực đại chảy qua sơ cấp MBA: I 1max = m.I 2max = 0,38.424 = 161 (A) (0,38. 170 = 65A) III. Chọn Thyristor : Tính toán ở trên có : U ngmax = 407,3 (V) I tbmax = 300 (A) 120A - Chọn điều kiện làm việc của van là tốt với cánh toả nhiệt và quạt đối lu không khí. Trong điều kiện đó có : Hệ số dự trữ điện áp k u = 1,6 Hệ số dự trữ về dòng điện k i = 1,2 - Do vậy phải chọn Thyristor ít nhất chịu đợc U ng = 1,6 . 407,3 = 652 (V) I tb = 1,2 . 300 = 360 (A) (1,2. 120 =144A) - Tra bảng ta chọn đợc Thyristor SC150C80 với các thông số sau: Điện áp ngợc cực đại của van : U ngmax = 800 V Dòng điện định mức của van : I đm = 150 A Điện áp xung điều khiển : U g= = 3 V Dòng điện của xung đièu khiển : I g = 0,1 A Dòng điện rò : I rò = 15 mA Sụt áp trên Thyristor : U T = 1,6 V Tốc độ biến thiên điện áp: = dt du 200 V/s Tốc độ biến thiên dòng điện: = dt di 180 A/às Thời gian chuyển mạch : t cm = 80 às Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép : T cp = IV. Thiết kế máy biến áp: U 1 = 380 (V) I 1 = 161 (A) 65 U 2 = 144 (V) I 2 = 424 (A) 170 - Công suất biểu kiến máy biến áp phía thứ cấp : S 2 = U 2 . I 2 = 144.424 = 61056 (VA) 144.170 = 24480 - Công suất biểu kiến máy biến áp phía sơ cấp : S 1 = U 1 . I 1 =380 . 161 = 61180 (VA) 380.65 =24700 Công suất biểu kiến máy biến áp : 61118 2 6118061056 2 21 = + = + = SS S 24590 - 2 - Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hng Lớp TĐH2 K46 Ta chọn MBA 1 pha, 1 trụ dạng , làm mát bằng không khí. Đây là máy biến áp có điểm giữa do vậy có 1 cuộn sơ cấp và hai cuộn thứ cấp. a) Tiết diện trụ của lõi thép MBA: Tiết diện trụ đợc tính theo công thức kinh nghiệm: Q Fe = cf S k [cm 2 ] Trong đó: +) k = hệ số phụ thuộc phơng thức làm mát, lấy k = 6 +) c : số trụ của MBA ( 3 pha: c=3; 1pha c = 1) +) f = 50 Hz tần số nguồn điện xoay chiều. Q Fe = 50 61118 6 = 210 [cm 2 ] 24590/50 căn 22,176 b) Tính toán dây quấn: - Chọn vật liệu là các lá tôn Silic dày 0,5 mm , tổn thất 1,3 W/kg , trọng lợng riêng 7,5 kg/dm 3 . Chọn mật độ từ cảm trong trụ B = 1,1 T -Số vòng dây mỗi cuộn tính theo công thức: BQf U W Fe 44,4 = = 1,1.021,0.50.44,4 U = 0,195.U / 0.0022 =1,8 U U: điện áp rơi trên cuộn dây Số vòng dây sơ cấp: W 1 = 0,195. 380 = 74 = 702 vòng Số vòng dây thứ cấp ( hai cuộn ) : W 2 = 0,195. 144 . 2 = 56 = 518 vòng - Tiết diện dây: J I S Cu = (mm 2 ) trong đó: I - dòng diện chạy qua cuộn dây J - mật độ dòng điện 2-3 A/mm 2 , tuỳ theo chất lợng dây lấy J = 3 Tiết diện dây sơ cấp : 54 3 161 1 1 === J I S Cu (mm 2 ) 65/3 =22 mm2 Tiết diện dây thứ cấp : 141 3 424 2 2 === J I S Cu (mm 2 ) 170/ 3 =56,5 mm2 c) Tính kích thớc mạch từ: - Chọn trụ có hình chữ nhật : Q Fe = a.b - Diện tích cửa sổ của mạch từ: Q cs = t.h = k ld .(W 1 .S Cu1 + W 2 .S Cu2 ) ( k ld : hệ số lấp đầy = 2 ữ3) Q cs = 2. ( 74.54 + 28.141) = 15888 mm 2 160 [cm 2 ] 89422mm = 894 cm2 - Các hệ số phụ: - 3 - Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hng Lớp TĐH2 K46 m = a h = 2,3 ; n = a c = 0,5 ; l = a b = 1,5 Q Fe = 1,5.a 2 a = 12 (cm) b = 18 c = 6; h = 30 t = 7 (cm) d) Kết cấu dây quấn : -Dây quấn đợc bố trí theo chiều dọc trụ với mỗi cuộn dây đợc cuốn thành nhiều lớp dây, mỗi lớp dây cách điện với nhau bằng bìa cách điện. - Tiết diện dây rất lớn, ta chọn tiết diện dây hình chữ nhật . - Số vòng trên mỗi lớp: W L = br hh cd h cd : khoảng cách cách điện, lấy h cd = 5 mm b r : bề rộng bánh dây W L1 = 40 với br = 7 mm , bn = 20 mm quấn 2 lớp W L2 = 90 với br = 3 mm , bn = 18 quấn 1 lớp - Tổng bề dày các cuộn dây: bd = 20.2 + 18 + 4.1 = 62 (mm) < t thoả mãn V. Lọc 1. Tính toán L,C: - Điện áp đầu ra của bộ chỉnh lu đợc triển khai ở dạng Fourier. Các sóng hài bậc cao có biên độ rất nhỏ nên ta có thể dừng lại ở 2 số hạng đầu. Với chỉnh lu 1 pha cả chu kỳ có điểm giữa: u d = tU U 2cos2 3 422 2 2 + khi đó LC sẽ đợc tính theo công thức: LC kn A LC 22 = trong đó: A = 0,425 n = 2 k LC = tỷ số nhấp nhô k LC = 2 .2 U U = 0,01 6 2 10.8,107 01,0.314.4 425,0 ==LC - 4 - Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hng Lớp TĐH2 K46 - Chọn C = 10000 àF L = 10,76 (mH) 2. Thiết kế cuộn L: Cuộn kháng cho dòng điện lớn đi qua nên tiết diện dây dẫn lớn, vì vậy điện trở thuần của cuộn kháng nhỏ có thể bỏ qua. Z CK = X CK = 2 fmL = 314.2.10,76.10 -3 = 6,78 Biên độ sóng hài dòng điện bậc 1 qua cuộn kháng: I m = A Lm UA 56,13 10.76,10.314.2 144.2.45,02 3 2 == Điện áp xoay chiều rơi trên cuộn kháng lọc: U CK = Z CK . 2 m I = 65 V Công suất của cuộn kháng lọc: S CK = U CK . 2 m I = 623 VA - Chọn lõi thép hình chữ . Tiết diện trụ: Q = k mf S = 50.2 623 5 = 12,5 cm 2 - Chọn mật độ từ cảm trong trụ là B = 1T. Số vòng dây trên cuộn kháng: W = 4 10.5,12.1.50.2.44,4 65 44,4 = QBfm U CK = 117 vòng - Dòng điện chạy qua cuộn kháng: 1,600 2 2 2 =+= m dk I II - chọn mật độ dòng điện J = 3 A/mm 2 tiết diện dây : S CK = 200 mm 2 d = 15 mm VI.Thiết kế các thiết bị bảo vệ: 1. Bảo vệ quá nhiệt độ cho van: -Khi làm việc với dòng điện chạy qua trên van có sụt áp, do đó có tổn hao công suất sinh nhiệt đốt nóng van. Mặt ghép là nơi bị đốt nóng nhiều nhất. Van bán dẫn chỉ đợc phép làm việc ở nhiệt độ cho phép nào đó tuỳ thuộc loại van. Đối với bán dẫn Ge: T cp = 80 ữ 100 ; Si: T cp = 150ữ200 . - Việc làm mát có ảnh hởng lớn tới dòng làm việc cho phép của van. Với dòng khá lớn: Không có toả nhiệt : I lv < 10%I dm Toả nhiệt bằng cánh toả nhiệt đồng, nhôm : I lv < 40%I dm Toả nhiệt bẳng cánh và quạt thổi gió : I lv < 70%I dm Làm mát bằng nớc I lv < 90%I dm - Do vậy để van bán dẫn làm việc an toàn, hiệu suất cao, không bị chọc thủng về nhiệt ta phải chọn và thiết kế hệ thống toả nhiệt hợp lý. - Tổn thất công suất trên 1 Thyristor là: - 5 - Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hng Lớp TĐH2 K46 P = U.I v = 1,5.424 =636 (W) - Công suất toả nhiệt này lớn do vậy cần làm mát bằng cánh toả nhiệt và quạt gió. 2. Bảo vệ quá điện áp cho van: Bảo vệ quá điện áp do quá trình đóng cắt Thyistor đợc thực hiện bằng mạch RC mắc song song với Thyristor tạo thành mạch vòng phóng điện tích trong úa trình chuyển mạch Chọn R = 5 , C=25 àF - 6 - Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hng Lớp TĐH2 K46 Chơng 3 .Thiết kế mạch điều khiển Nội dung chính của chơng gồm các phần sau 1.Các nguyên tắc thiết kế mạch điều khiển. 2. Hệ thống điều khiển pha xung. 3. Các sơ đồ mạch của mỗi khâu. Chọn lựa mạch. 4. Mạch điều khiển cụ thể . 5. Tính chọn mạch điều khiển . I- Các nguyên tắc thiết kế mạch điều khiển: Trong thực tế thờng dùng 2 nguyên tắc thiết kế mạch điều khiển là nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính và thẳng đứng arccos để điều chỉnh thời gian phát xung vào cực điều khiển của Thyristor. 1. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính: Nội dung của nguyên tắc này có thể mô tả theo sơ đồ: Khi điện áp xoay chiều hình sin đặt vào anod của Thyristor, để có thể có điều chỉnh đợc góc điều khiển , trong vùng điện áp dơng của anod, ta tạo điện áp tựa dạng răng ca. Dùng điện áp một chiều U đk so sánh với điện áp tựa U tựa . Tại thời điểm cân bằng của hai điện áp thì phát xung điều khiển. Thyristor sẽ đợc mở từ thời điểm có xung điều khiển cho đến hết nửa cuối chu kì. - 7 - Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hng Lớp TĐH2 K46 Góc điều khiển đợc xác định theo biểu thức max . tua dk U U = . Bằng cách thay đổi U đk từ 0 đến U tựa max sẽ thay đổi đợc góc , do đó thay đổi đợc U d 2. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos: Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos đợc thể hiện trên hình vẽ: Điện áp đặt vào anod catod của Thyristor là u AK = U m .sint. Điện áp đồng bộ U đb vợt trớc u AK một góc /2 : u đb = U m .cost. Điện áp điều khiển là điện áp một chiều có thể thay đổi theo cả hai phía dơng và âm của biên độ. Đặt u đb và u đk vào cổng đảo và không đảo của bộ so sánh. Tại thời điểm u đk =u đb ta nhận đợc một xung ra rất mảnh ở đầu ra của khâu so sánh. Góc điều khiển đợc xác định theo biểu thức: U m . cos = U đk . = m dk U U arccos - 8 - Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hng Lớp TĐH2 K46 Bằng cách thay đổi U đk từ giá trị -U m đến +U m , ta có thể điều chỉnh từ 0 đến . Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos đợc dùng trong các thiết bị chỉnh lu đòi hỏi chất lợng cao. Trong bản đồ án này sử dụng mạch lực là sơ đồ chỉnh lu 1 pha có điểm giữa không đòi hỏi chất lợng điện áp cao lắm nên ta sẽ thiết kế mạch điều khiển theo nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính. II- Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển: Ta biết trong các hệ thống chỉnh lu điện áp ra đợc xác định theo biểu thức : U d = U do . cos. trong đó là thời điểm ta phát xung mở Thyristor. Nh vậy bằng cách thay đổi góc mở ta sẽ thay đổi giá trị của điện áp ra và hệ thống cho phép ta điều chỉnh góc gọi là hệ thống điều khiển pha xung. Sơ đồ cấu trúc của mạch điều khiển: Nhiệm vụ của các khâu trong sơ đồ : 1) Khâu đồng pha ( khâu đồng bộ) : khâu này có nhiệm vụ xác định điểm gốc để tính góc điều khiển . Nó có góc pha liên hệ chặt chẽ với điện áp của mạch lực. Khâu này thờng là máy biến áp xung hoặc các phần tử ôptô 2) Khâu tạo điện áp tựa: khâu này có nhiệm vụ tạo điện áp có dạng cố định theo nhịp của điện áp đồng pha, đồng thời nó cũng xác định phạm vi điều chỉnh của góc Điện áp tựa có dạng tam giác hoặc răng ca, thòng dùng là điện áp răng ca. - 9 - Đồng pha U tựa So sánh Dạng xung Khuếch đại xung Bộ điều khiển U đặt U ph U đk Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hng Lớp TĐH2 K46 3) Khâu so sánh : nhiệm vụ của khâu này là tiến hành so sánh điện áp tựa và điện áp điều khiển. Thông thờng thời điểm cân băng giữa hai điện áp này chính là thời điểm phát xung mở van, tức là thời điểm xác định góc . 4) Khâu dạng xung: khâu này có nhiệm vụ tạo ra xung điều khiển có hình dạng phù hợp để mở chắc chắn mạch van chỉnh lu. Xung điều khiển có 4 dạng chính là xung đơn, xung kép, xung rộng, xung chùm. 5) Khâu khuếch đại xung: nhiệm vụ chính là khuếch đại công suất của xung ra từ mạch điều khiển lên tới giá trị đủ mở chắc chắn van lực. 6) Bộ điều chỉnh : có nhiệm vụ thực hiện một qui luật điều chỉnh nào đó (điều chỉnh bằng lợng đặt hoặc do công nghệ thiết bị chế tạo ) và đợc phản hồi để tạo ra U đk để điều chỉnh góc nhằm khống chế năng lợng ra tải theo yêu cầu. III- Chọn các khâu của mạch điều khiển 1.Khâu đồng pha: Khâu này thờng sử dụng biến áp đồng pha hoặc phần tử ghép quang. a)Sử dụng máy biến áp đồng pha: Đặt điện áp u 1 = U 1m . sint vào cuộn dây sơ cấp thì bên phía thứ cấp xuất hiện điện áp xoay chiều u 2 = U 2m . cost. b)Sử dụng phần tử ghép quang: - 10 - u 1 ~ u 2 [...]... động của mạch: Điện áp đồng pha vào tại A có dạng hình sin trùng pha với điện áp trên anod của Thyristor Trong thời gian Uđf > 0 thì T1 thông , Utựa = 0 Trong thời gian Uđf < 0 thì T1 khoá ,tại B có điện áp tựa Utựa có dạng răng ca Điện áp đặt Uđặt+ và điện ấp phản hồi Uph đợc đa tới đầu vào của khuếch đại vi sai, kết quả là đầu ra của KĐTT A2 có điện áp điều khiển Uđk là điện áp một chiều Điện áp tựa... ly mạch lực với mạch điều khiển Trong đồ án này do điện áp ra của mạch lực lúc không tải là Ud0 = 60V > 36V ,khi hoạt động thì điện áp hàn cỡ 40 V nên ta sử dụng sơ đồ khuếch đại xung dùng biến áp xung - 17 - Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hng Lớp TĐH2 K46 6.Bộ điều chỉnh: Nhiệm vụ của bộ điều khiển là tạo ra Uđk dựa vào lợng đặt Uđ và phản hồi Do đó ta sẽ sử dụng mạch khuếch đại vi sai Sơ... : +) Nguồn nuôi IC: VCC = 3 ữ 15 V, ta chọn VCC = 12 V +) Nhiệt độ làm việc - 40 ữ 80oC +) Điện áp mức lôgíc 1 : 2 ữ 4,5 +) Dòng điện I < 1 mA +) Công suất tiêu thụ P = 2,5 nW/ cổng - Sơ đồ chân: - 21 - Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hng Lớp TĐH2 K46 4 Chọn C2 và R4: - Điện trở R4 dùng để hạn chế dòng điện đa vào Bazơ của T4 - R4 đợc chọn phải thoả mãn điều kiện : R4 > U log ic IB = 4,5 = 1,8... KĐTT A1 chọn loại TL084 - Chọn RP = RN > Uv 12 = = 12k I v 1.10 3 Trong đó: nếu nguồn VCC = 12 V thì điện áp vào A1 là UV = 12 V, dòng vào đợc hạn chế để IV < 1 mA Ta chọn RP = RN = 15 k , lúc đó IV = 0,8 mA 7 Tính chọn khâu đồng pha - Điện áp tựa đợc hình thành do sự nạp điện của tụ C1 - 22 - Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hng Lớp TĐH2 K46 - Ta chọn thời gian nạp của tụ là : t1= R3C1 = 0,005... không cần T4 mà vẫn đủ công suất điều khiển Transistor - Chọn nguồn cung cấp cho BAX E = +12 V Khi đó điện trở R5 có giá trị: R5 = E U1 12 9 = = 30 I1 0,1 - Các diode trong mạch điều khiển đều dùng loại 1N4009 có các tham số: +) Dòng điện định mức : Iđm = 10 mA +) Điện áp ngợc max : Ung = 25 V +) Điện áp để diode thông : Um = 1 V 3 Chọn cổng AND: Chọn IC 4081 thuộc họ CMOS Mỗi IC 4081 có 4 cổng AND...Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hng Lớp TĐH2 K46 Trong nửa chu kì dơng của nguồn thì D0 dẫn phát ánh sáng mở T0 (T 0 là trandito quang) làm T0 dẫn dòng ic từ +E qua R2 ,T0 ,do đó Uđf =0 Trong nửa chu kì âm của nguồn thì D0 khoá làm cho T0 khoá, do đó Uđf = E Trong đồ án này chọn khâu đồng pha là máy biến áp đồng pha 2 Khâu tạo điện áp tựa: Nguyên tắc của việc tạo điện áp răng ca là dựa... tới Thyristor Điện áp Ud trên T1 sẽ xuất hiện từ thời điểm có xung điều khiển đầu tiên cho đến thời điểm phát xung vào cực điều khiển của Thyristor 2 Phân tích tơng tự cho nửa còn lại của bộ chỉnh lu - 18 - Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hng Lớp TĐH2 K46 - 19 - Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hng Lớp TĐH2 K46 V- Tính toán mạch điều khiển Việc tính toán mạch điều khiển tiến hành từ tầng... - Điện trở R2 hạn chế dòng và T2, đợc chọn sao cho R2 E U DZ 12 6 = = 15k IB 0,4 chọn R2 = 15 k - Chọn điện áp xoay chiều đồng pha UA = 9 V - Chọn R1 để hạn chế dòng vào Bazơ của T1 sao cho IV < IVmax IV = 9 I V max R1 9 9 = = 22,5k R1 I 0,4 V max chọn R1= 25 k 8 Chọn khâu tạo điện áp điều khiển Uđk - Chọn Ra = Rf để Uđk = Uđặt - Uph - Khi hở mạch I = 0 Uph= 0 Uđk = Uđặt Nh vậy, Uđặt là điện. .. quả là đầu ra của KĐTT A2 có điện áp điều khiển Uđk là điện áp một chiều Điện áp tựa Utựa đợc so sánh với điện áp điều khiển Uđk tại 2 đầu vào của KĐTT A1 Thời điểm Utựa = Uđk thì đầu ra của A1 lật trạng thái Trong thời gian Uđk < Utựa điện áp so sámh Uss có giá tri âm Trong thời gian Uđk > Utựa điện áp so sámh Uss có giá tri dơng Mạch tạo xung tần số cao 555 cho ta chuỗi xung có tần số từ 3 đến 12kHz... dụng dùng dùng trandito: Urc Hình a - 11 - Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hng Lớp TĐH2 K46 Urc Hình b *Với mạch hình a: Khi uđf > 0 T thông, C bị ngắn mạch nên Utựa= Uc = 0 Khi uđf < 0 T khoá, C đợc nạp theo đờng +E - R2 - C Điện áp trên tụ có dạng: uc (t) =E.(1- e-t / ) trong đó = R.C Sau khoảng thời gian t= (3 ữ4) thì uc = E Dạng điện áp nh hình vẽ(sau-tờ5) Răng ca này có dạng phi tuyến . có điện áp tựa U tựa có dạng răng ca Điện áp đặt U đặt+ và điện ấp phản hồi U ph đợc đa tới đầu vào của khuếch đại vi sai, kết quả là đầu ra của KĐTT A2 có điện áp điều khiển U đk là điện. ra ta có các thông số : +) Nguồn điện xoay chiều: 380 V, 50 Hz +) Điện áp hở mạch: U hh = 60 (V) +) Dòng điện cực đại: I max = 600 (A) ( = 240) a) Điện áp: - Điện áp chỉnh lu không tải (hở mạch). sau: Điện áp ngợc cực đại của van : U ngmax = 800 V Dòng điện định mức của van : I đm = 150 A Điện áp xung điều khiển : U g= = 3 V Dòng điện của xung đièu khiển : I g = 0,1 A Dòng điện