Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy hàn inverter một chiều điều khiển kỹ thuật số, đạt dòng hàn 160A

Header Page of 120 Bộ Công thơng Tổng Công ty Máy động lực máy nông nghiệp Viện Công nghệ Báo cáo tổng kết đề tài KH-CN M số: 239.08RD/HĐ-KHCN Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy hànInverter chiều điều khiển Kỹ thuật số, đạt dòng hàn 160 A Cơ quan chủ quản: Bộ Công thơng Cơ quan chủ trì: Viện Công nghệ Chủ nhiệm đề tài: KS Nguyễn văn thống 7100 16/2/2009 Hà Nội, – 2009 luan van thac si-tai lieu - luan an -kinh te -Footer Page of 120 Header Page of 120 Bộ Công thơng Tổng Công ty Máy động lực máy nông nghiệp Viện Công nghệ Báo cáo tổng kết đề tài KH-CN M số: 239.08.rd/HĐ-KHCN Tên đề tài: nghiên cứu thiết kế chế tạo máy hàn Inverter chiều điều khiển kỹ thuật số, đạt dòng hàn 160 A Cơ quan chủ trì Viện Công nghƯ Hµ Néi, – 2009 luan van thac si-tai lieu - luan an -kinh te -Footer Page of 120 Header Page of 120 Nh÷ng ng−êi thùc KS Nguyễn Văn Thống Viện Công nghệ KS Trần Thanh Tuyền Viện Công nghệ KS Lê Sỹ Lan Viện Công nghệ KTV Nguyễn Việt Hà Viện Công Nghệ KTV Trơng Văn Thoa Viện Công NghÖ luan van thac si-tai lieu - luan an -kinh te -Footer Page of 120 Header Page of 120 Mục lục Lời mở đầu Khái quát máy hàn Inverter chiều ®iỊu khiĨn kÜ tht sè 1.01 M¸y hàn Inverter 1.02 ứng dụng kĩ thuật số vào điều khiển máy hàn 1.03 Sự phát triển máy hàn Inverter 10 Thiết kế máy hàn Inverter chiều điều khiển kĩ thuật số đạt dòng hàn 160 A 11 2.01 Sơ đồ mạch điện chung - sơ đồ khối 2.02 Bé nguån 13 2.03 Bộ nắn dòng lọc đầu vào 2.04 Bộ công suất cao tần 15 2.05 BiÕn ¸p fe-rit công suất 2.06 Bộ nắn cao tần lọc đầu 2.07 Bộ tạo xung 16 2.08 §iỊu khiĨn kü thuËt sè 17 2.09 M¹ch xư lÝ tÝn hiƯu ®o 30 2.10 Màn hình hiển thị 2.11 Phần bảo vệ nhiÖt 31 2.12 Phần giao tiếp máy tính 2.13 Mạch in 32 2.14 Phần vỏ máy khung gá linh kiện Khảo nghiệm máy hàn 33 3.01 Máy hàn Inverter đợc thiết kế, chế tạo 3.02 Hớng dẫn sử dụng máy hàn Inverter chiều điều khiển kĩ thuật số, đạt dòng hàn 160 A 34 3.03 Các thông số máy hµn 38 KÕt luËn 39 Phô lôc 40 5.01 ảnh máy hàn bố trí bên máy hàn 5.02 Các vẽ 42 5.03 Đánh giá máy hàn 47 5.03 Biên nghiệm thu sản phẩm đề tài 48 Tµi liƯu tham kh¶o 49 luan van thac si-tai lieu - luan an -kinh te -Footer Page of 120 Header Page of 120 Lời mở đầu Máy hàn đợc sản xuất theo công nghệ truyền thống thờng có trọng lợng lớn, đến vài trăm cân Phần nặng máy hàn loại biến áp hàn, chiếm khoảng 2/ trọng lợng máy Máy hàn to nặng vừa gây tốn vật liệu chế tạo vừa gây khó khăn cho việc vận chuyển, di chuyển lu thông phân phối trong sản xuất Trong nhiều trờng hợp công việc hàn phải di chuyển từ nơi sang nơi khác thờng xuyên, hay phải đa lên tầng cao, có đợc thiết bị hàn mạnh mà lại gọn, nhẹ ớc muốn nhiều nhà sản xuất máy hàn thợ hàn Trong năm gần đây, giới xuất loại máy hàn đợc gọi máy hàn Inverter Cùng cho cờng độ dòng điện hàn nh máy hàn thông thờng trọng lợng máy Inverter nhẹ đến chục lần Máy hàn Inverter sản phẩm công nghệ cao Các phận máy Inverter từ biến áp hàn đến nhiều linh kiện điện tử, mạch điện sản phẩm công nghệ cao Công nghệ Inverter chế tạo máy hàn hoạt động nguyên lí nâng tần số dòng điện bình thờng ( 50 60 Hz ) lên tần số hàng nghìn, chí hàng chục nghìn Hz Dòng điện tần số cao đợc đa đến đầu vào biến áp hàn Nhờ làm việc với tần số cao nên biến áp có kích thớc trọng lợng nhỏ, nhỏ biến áp thông thờng đến vài chục lần Việc thiết kế mạch điện tần số cao đòi hỏi nhà thiết kế phải có kinh nghiệm, tính toán xác phải qua nhiều bớc thử nghiệm đời mạch điện làm việc ổn định Sự ứng dụng công nghệ số vào thiết bị công nghiệp giúp cho thiết bị làm việc xác hơn, hiệu cao hơn, dễ điều khiển Theo xu chung thời đại nhiều máy hàn Inverter đợc số hoá Máy hàn Inverter nhiều nớc đợc nhập vào nớc ta, đợc sử dụng rộng rãi đợc a chuộng Một số công ty nớc ta công bố sản xuất đợc máy hàn Inverter, nhng thực tế cha thấy bán thị trờng Nhóm thực đề tài mong muốn qua đề tài: nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy hàn Inverter chiều điều khiển kỹ thuật số, đạt dòng hàn 160 A đóng góp đợc số kinh nghiệm việc chế tạo loại máy hàn nµy luan van thac si-tai lieu - luan an -kinh te -Footer Page of 120 Header Page of 120 Khái quát máy hàn Inverter chiều điều khiển kĩ thuật số 1.01 Máy hàn Inverter Máy hàn đợc chế tạo theo phơng pháp thông thờng nói chung có trọng lợng lớn Phần nặng máy hàn biến áp hàn, biến áp hàn chiếm khoảng 2/ trọng lợng máy Để hàn đợc dòng điện lớn với chu kỳ tải cao ( 100 % ) biến áp phải lớn Biến áp lớn nặng, biến áp lớn nặng làm cho phận liên quan nh đồ gá, vỏ, thân máy phải to dày nên làm cho máy hàn nặng thêm Việc chế tạo máy hàn to, nặng tiêu tốn nhiều vật t nh: sắt thép để làm vỏ đồ gá, tôn silic để làm lõi biến áp, đồng để quấn biến áp, mà vật t có giá ngày tăng Do máy hàn cồng kềnh nặng nên việc chuyên chở chúng lu thông phân phối tốn lần vận chuyển đợc số lợng mà giá xăng dầu ngày tăng Trong sản xuất, công việc hàn nhiều phải di chuyển từ nơi sang nơi khác chuyển từ tầng cao sang tầng cao khác, lúc máy hàn nặng làm cho ngời thợ vất vả Trong máy hàn phận chuyển đổi lợng từ điện lới thành dòng điện phù hợp cho công việc hàn biến áp Công thức chung đợc dùng thiết kế biến áp là: [ 10 ] Pth = W.A.F.Bmax Trong đó: - Pth lợng mà biến áp chuyển tải - W thông số vòng dây quấn - A thông số lõi biến áp - F tần số làm việc - Bmax mật độ từ thông bão hoà lõi Qua công thức ta nhận thấy rằng: lợng đợc chuyển tải qua biến áp tỉ lệ thuận với tần số làm việc, mật độ từ thông bão hoà thông số kích thớc lõi, dây quấn Trong F.Bmax đợc coi hệ số hiệu suất biến áp; tăng tần số làm việc ( F ) tăng mật độ từ thông bão hoà ( Bmax ), hai khả chuyển tải biến áp tăng lên Còn nh ta giữ nguyên khả chuyển tải biến áp lúc ta giảm thông số vòng dây quấn ( W ) thông số lõi biến áp ( A ), có nghĩa giảm bớt vòng dây quấn thu nhỏ lõi biến áp, có nghĩa kích thớc biến áp đợc thu lại nhỏ Tuy nhiên đầu vào biến áp thông thờng điện lới có tần số 50 Hz, nên biến áp hoạt động với tần số 50 Hz Lõi biến áp thờng đợc làm tôn silic nên mật độ từ thông bão hoà bị hạn chế giới hạn định đợc cải thiện Vì biến áp đợc chế tạo theo phơng pháp truyền thống từ lâu thu nhỏ kích thớc đợc luan van thac si-tai lieu - luan an -kinh te -Footer Page of 120 Header Page of 120 Nh− vËy ®Ĩ có đợc loại biến áp có kích thớc nhỏ ta phải nâng đợc tần số dòng điện đầu vào biến áp lên, đồng thời tìm loại vật liệu làm lõi biến áp có đợc mật độ từ thông bão hoà cao Công nghệ Inverter áp dụng vào việc chế tạo máy hàn giúp giải việc nâng tần số dòng điện cho đầu vào biến áp lên hàng trăm, hàng chục nghìn Hz, chí đến trăm nghìn Hz Trong Inverter Technology trang Web công ty Damien Compact Frequency Inverters trang Web cđa c«ng ty T J Snow “ cho ta biÕt công nghệ Inverter đợc áp dụng vào việc chế tạo máy hàn nh Qua sơ đồ nguyên lí máy hàn Inverter ( hình ) ta thấy đầu vào máy hàn điện lới bình thờng có điện áp 220 V 380 V xoay chiều, với tần số 50 Hz Dòng điện xoay chiều đợc nắn dòng biến đổi thành dòng chiều Dòng chiều đầu vào Inverter, thực chất Inverter cấu gồm cụm đóng ngắt nhanh kết hợp với biến áp Cụm đóng ngắt nhanh đợc mô tả cho dễ hiểu cặp tiếp điểm S1 S2 Hai cặp tiếp điểm hoạt động liên hoàn với nhau: cặp tiếp điểm S1 đóng cặp S2 mở ngợc lại Sự đóng ngắt liên hoàn biến dòng điện chiều trớc đây, sau qua trở thành dòng xoay chiều, nhng dòng xoay chiều có tần số khác với dòng xoay chiều đầu vào máy hàn Tốc độ đóng ngắt cặp tiếp điểm tạo nên tần số cho dòng điện xoay chiều mới, tốc độ đóng ngắt cao tần số dòng điện cao Dòng điện xoay chiều đầu vào biến áp Đầu biến áp dòng xoay chiều có tần số tơng tự nh đầu vào với điện áp thấp Dòng điện xoay chiều tần số cao, điện áp thấp đợc nắn dòng trở thành dòng chiều phục vụ cho công việc hàn s1 s2 dc 80V ac 220V s2 s1 Hình Sơ đồ nguyên lí máy hàn Inverter luan van thac si-tai lieu - luan an -kinh te -Footer Page of 120 Header Page of 120 luan van thac si-tai lieu - luan an -kinh te -Footer Page of 120 Header Page of 120 Lõi biến áp thông thờng đợc làm từ tôn si-lic mỏng, tôn đợc phủ lớp cách điện để hạn chế phát sinh dòng điện cảm ứng xoáy lõi biến áp, dòng mạnh gây tổn thất việc truyền tải lợng biến áp làm biến áp nóng lên Khi nóng mức làm hỏng lớp cách điện dây quấn dẫn đến hỏng biến áp, đồng thời phát sinh nhiệt lớn tổn thất truyền tải biến áp lớn hơn, hạn chế đợc phát sinh nhiệt hiệu suất biến áp cao Tấm tôn si-lic mỏng tổn thất gây nhỏ Theo Transformer trang thông tin Wikipedia, the free enciclopedia vài loại thật mỏng có khả hoạt động đến tần số 10.000 Hz Nh ta muốn biến áp hoạt động với tần số cao 10.000 Hz phải tìm kiếm loại vật liệu cho lõi biến áp Qua nhiều trình nghiên cứu ngời ta tìm loại vật liệu này, loại vật liệu có tên chung fe-rit, có độ thấm từ cao ®iƯn trë st rÊt lín Trong bµi “ What is ferrite “ trªn trang Web Fair-rite.com cho ta biÕt nhiỊu loại vật liệu Fe-rit có cấu trúc tinh thể với công thức hoá học chung MO-Fe2O3, Fe2O3 ô-xit sắt, MO biểu thị cho hợp chất hai hay nhiều ô-xit kim loại có hoá trị khác ( ví dụ: kẽm, nic-ken, măng-gan, đồng ) Sự bổ sung ô-xit nói vào thành phần cho phép tạo nhiều loại fe-rit khác có tính chất phù hợp với loại mục đích sử dụng khác Các thành phần fe-rit đợc ép từ bột ô-xit kim loại nói đợc thiêu kết lò Cơ tính điện từ tính ferit chịu ảnh hởng lớn trình thiêu kết, trình dựa yếu tố: thời gian nhiệt độ - áp suất Fe-rit co lại bị thiêu kết, kích thớc co lại đến 10 17 % Với cách chế tạo nh fe-rit đợc coi nh loại gốm Fe-rit cứng giòn, nh loại gốm khác fe-rit dễ bị sứt, vỡ Các loại fe-rit khác có màu sắc khác nhau, từ màu xám bạc đến màu đen Có dạng fe-rit là: fe-rit mềm fe-rit cứng Sự khác dạng fe-rit nhận biết từ xúc giác mà từ đặc tính từ trờng Fe-rit mềm không trì từ tính lâu dài, fe-rit cứng cã tÝnh nhiƠm tõ vÜnh cưu “ Fe-rit cøng “ thờng đợc dùng làm nam châm, fe-rit mềm đợc sử dụng vào việc làm lõi biến áp, biến áp tần số cao Nói chung vật liệu fe-rit đợc thiết kế cho hệ thống truyền tải điện với mục đích gây tổn thất làm việc tần số cao với nhiệt độ làm việc đến 80 100o C Vật liệu fe-rit phải có mật độ từ thông bão hoà cao nhiệt độ làm việc lên đến 100o C, để phù hợp với cuộn cảm kháng cho dòng điện cao Việc lựa chọn loại chất liệu fe-rit hình dáng lõi biến áp thích hợp giúp ta có đợc biến áp nhỏ, nhẹ mà truyền tải đợc dòng ®iƯn lín, ®¸p øng mơc ®Ých sư dơng ë nhiỊu nớc giới, fe-ri dùng làm lõi biến áp đợc quy chuẩn hoá, chúng đợc chế tạo sẵn với khối hình dạng kích thớc khác nhau, chúng đợc phân nhóm theo thông số kỹ riêng thuật chúng Trên bảng lõi Fe-rit chữ E nhãm vËt liƯu 77 vµ 78 “ cho ta thÊy loại fe-rit đợc chế tạo thành khối chữ E với kích cỡ khác thông số kỹ thuật chúng Các khối chữ E bảng đợc làm từ nhóm vật liệu có kí hiệu 77 78 Trong phần giới thiệu, nhóm vật liệu 77 đợc ghi là: loại fe-rit MnZn dùng cho thiết kế có mật độ cảm ứng từ thông từ thấp đến cao làm việc với tần số đến 100 kHz Cßn nhãm luan van thac si-tai lieu - luan an -kinh te -Footer Page of 120 Header Page 10 of 120 MnZn 77 & 78 materials F E A D B C E Cores  MnZn 77 & 78 materials View Chart Legend Part Number 9477019002 9477016002 R 9477015002 R 9477014002 9477034002 9477375002 R R 9477500002 9478036002 9477625002 R 9478625002 R A B C D 12.70 0.25 0.500 19.30 0.40 0.760 25.40 0.50 1.000 25.40 0.50 1.000 25.4 0.50 1.000 34.55 0.70 1.360 40.75 0.80 1.604 42.85 0.75 1.687 47.10 0.75 1.855 47.10 0.75 1.855 05.80 0.25 0.224 08.20 0.25 0.318 09.80 0.30 0.380 09.80 0.30 0.380 16.00 0.25 0.630 14.50 0.25 0.567 16.50 0.15 0.650 21.15 0.25 0.828 19.85 0.40 0.773 19.85 0.40 0.773 03.45 0.50 0.125 04.75 0.20 0.187 06.60 0.50 0.250 12.70 0.25 0.500 06.60 0.50 0.250 09.25 0.25 0.365 12.20 0.40 0.480 15.85 0.75 0.609 15.60 0.25 0.615 15.60 0.25 0.615 04.10 0.15 0.161 05.60 0.25 0.225 06.35 0.25 0.225 06.35 0.25 0.225 12.70 0.35 0.507 09.50 0.25 0.380 10.15 0.25 0.405 14.95 0.25 0.593 12.00 0.25 0.477 12.00 0.25 0.477 E F 09.30Min 0.365 Min 14.30Min 0.562 Min 18.80Min 0.740 Min 18.80Min 0.740 Min 18.80Min 1.004 Min 25.50Min 1.044 Min 27.80Min 1.095 Min 30.40Min 1.197 Min 31.60Min 1.245 Min 31.60Min 1.245 Min 03.30 – 0.25 0.125 04.95 – 0.35 0.187 06.60 – 0.50 0.250 06.60 – 0.50 0.250 06.60 – 0.50 0.250 09.40 0.15 0.370 12.20 0.35 0.480 11.90 0.25 0.468 15.60 0.25 0.615 15.60 0.25 0.615 Wt (g) 0.80 I/A (cm-1) 27.60 Ie (cm) 2.77 Ae (cm2) 0.10100 Ve (cm3) 0.27900 Al (nH) 475 Min 2.40 17.90 4.00 0.22500 0.90000 825 Min 5.40 12.06 4.90 0.40000 1.95000 1300 Min 11.0 6.03 4.90 0.80000 3.92000 2625 Min 8.40 18.00 7.30 0.40000 2.98000 870 Min 16.0 7.92 6.90 0.86000 6.00000 2050 Min 30.0 5.12 7.60 1.50000 11.5000 3225 Min 48.0 5.34 9.80 1.84000 18.1000 3600 Min 57.0 3.74 8.90 2.37000 21.1000 4500 Min 57.0 3.74 8.90 2.37000 21.1000 5100 Min Bảng fe-rit chữ E , nhãm vËt liÖu 77 & 78 luan van thac si-tai lieu - luan an -kinh te -Footer Page 10 of 120 Header Page 47 of 120 Bé công thơng t.c.t máy đl & máy nn cộng hoà x∙ héi chđ nghÜa viƯt nam §éc lËp – Tù Hạnh phúc Viện công nghệ Hà nội, ngày 19 tháng 12 năm 2008 Biên nghiệm thu sản phẩm đề tài Đề tài 239.08rd/khcn Ban nghiệm thu sản phẩm gồm có Ông Hoàng Anh Châu, Viện phó, trởng ban Ông Trần Tự Trác, Trởng phòng Quản lý Khoa học Ông Nguyễn Phi Trung, Trởng phòng kiểm định vật liệu Ông Nguyễn Văn Thống, Chủ nhiệm đề tài Bà Hoàng Minh Phợng, chuyên viên p Quản lý Khoa học Nội dung nghiệm thu Ban nghiệm thu nghe chủ nhiệm đề tài báo cáo, giới thiệu xem xét, kiểm tra sản phẩm đề tài máy hàn Inverter chiều điều khiển kỹ thuật số - Só lợng: 01 máy hàn Inverter mét chiỊu diỊu khiĨn kü tht sè - KiĨm tra máy làm việc, dã đạt thông số kỹ thuật: + Dòng điều khiển 160A + Giải điện áp 75 V + Đờng kính lõi que hàn mm + Chất lợng đờng hàn đạt yêu cầu ngấu Kết luận: Sau nghe báo cáo, xem xétvà kiểm tra sản phẩm làm việc, Ban nghiệm thu nhận thấy rằng: - Sản phẩm 01 máy hàn Inverer chiều điều khiển kỹ thuật số - Sản phẩm làm việc đạt đợc thông số kỹ thuật đăng ký - Nhất trí nghiệm thu sản phẩm Trởng ban nghiệm thu Viện công nghệ Hoàng Anh Châu Viện trởng T.S Nguyễn Văn Chơng ( Đã kí ) ( §· kÝ) luan van thac si-tai lieu - luan an -kinh te -Footer Page 47 of 120 44 Header Page 48 of 120 Tài liệu tham khảo Họ vi điều khiển 8051 Tống Văn On, Hoàng Đức Hải Nhà xuất Lao động xã hội – Hµ Néi 2001 Bé vi xư lÝ, thiÕt kÕ b»ng m¸y tÝnh c¸c hƯ thèng kü tht sè Nguyễn Minh Đức Nhà xuất Thành phố Hå ChÝ Minh, 2004 Kü thuËt vi xö lÝ lập trình Assembly cho hệ vi xử lí - Đỗ Xuân Tiến Nhà xuất Khoa học Kü tht – Hµ néi 2006 Xư lý tÝn hiệu số Quách Tuấn Ngọc Nhà xuất Giáo dục Hà Nội 1999 Mạch logíc kỹ thuật số Nguyễn Minh Đức Nhà xuất Thµnh Hå ChÝ Minh, 2004 Vi xư lÝ đo lờng điều khiển Ngô Diên Tập Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội 2004 Điện tử công suất Lê Văn Doanh, Nguyễn Thế Công, Trần Văn Thịnh Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội 2004 Giáo trình điện tử công suất Trần Trọng Minh Nhà xuất Giáo dục Hà nội 2006 Thiết kế mạch điện điện tử Hoàng Minh Trung Nhà xuất Thành Hå ChÝ Minh, 1999 10 ThiÕt kÕ m¸y biÕn áp điện lực Phan Tử Thụ Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà nội 2006 luan van thac si-tai lieu - luan an -kinh te -Footer Page 48 of 120 45 ... máy hàn 3.01 Máy hàn Inverter đợc thiết kế, chế tạo Máy hàn đợc chế tạo theo thiết kế riêng nhóm đề tài, dựa vào nghiên cứu lí thuyết nh khảo sát máy hàn Inverter đợc sử dụng nớc ta Máy đợc chế. .. ty Máy động lực máy nông nghiệp Viện Công nghệ Báo cáo tổng kết đề tài KH-CN M số: 239.08.rd/HĐ-KHCN Tên đề tài: nghiên cứu thiết kế chế tạo máy hàn Inverter chiều điều khiển kỹ thuật số, đạt dòng. .. quát máy hàn Inverter chiều điều khiển kĩ thuật số 1.01 Máy hàn Inverter Máy hàn đợc chế tạo theo phơng pháp thông thờng nói chung có trọng lợng lớn Phần nặng máy hàn biến áp hàn, biến áp hàn