Thiết kế nguồn hàn hồ quang một chiều dùng thyristor có ihmax= 400a; udmax=60v

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH 621 KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: THIẾT KẾ NGUỒN HÀN HỒ QUANG MỘT CHIỀU DÙNG THYRISTOR CÓ IHMAX=400A; UDMAX=60V Sinh viên thực hiện: Thân Văn Quang Lớp: 51K2 - ĐTVT Giảng viên hướng dẫn: Ks Hoàng Võ Tùng Lâm NGHỆ AN, 1-2015 BẢNG THÔNG QUA ĐỒ ÁN MÔN HỌC Họ tên : Thân Văn Quang MSSV : 1051080546 Tên đồ án: Thiết kế nguồn hàn hồ quang chiều dùng thyristor có: Ihmax= 400A; Udmax=60V Lần Ngày …………… …………… …………… …………… Nội dung Nhận xét (cho phép/ không cho phép, thông qua đợt sau) Nhận chung………………………………………………………… Chữ ký GVHD xét Xác nhận giáo viên hướng dẫn: BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Thân Văn Quang Số hiệu sinh viên: 1051080546 Ngành: Điện tử viễn thơng Khố: 51 Giảng viên hướng dẫn: Ks Hoàng Võ Tùng Lâm Cán phản biện: ThS Đặng Thái Sơn Nội dung thiết kế tốt nghiệp: Với đề tài: “Thiết kế nguồn hàn hồ quang chiều dùng thyristor có: Ihmax= 400A ; Udmax=60V” Thiết kế mày hàn hồ quang hệ thay mày hàn hồ quang điện hệ cũ có nhiều nhược điểm Bằng cách sử dụng công nghệ nghịch lưu tần số cao với thành phần bên máy linh kiện điện tử bán dẫn, biến áp xung …để có kích thước gọn nhẹ, động, hiệu sử dụng cao (60%) đặc biệt tiết kiệm điện Nhận xét cán phản biện: Ngày tháng năm Cán phản biện ( Ký, ghi rõ họ tên ) MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU TĨM TẮT ĐỒ ÁN DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ HÀN1 Sơ lược công nghệ hàn2 1.1 1.1.1.Các nguyên lý hình thành mối hàn2 1.1.2.Đặc điểm nguồn nhiệt hàn5 1.1.3.Thời gian tương tác nguồn nhiệt vũng chảy9 1.1.4.Phân loại phương pháp hàn điện13 1.2 Hàn hồ quang14 1.2.1.Định nghĩa14 1.2.2.Cấu tạo hồ quang16 1.2.3.Phân lọai hồ quang hàn16 1.2.3.1 Hàn hồ quang tự động16 1.2.3.2 Hàn tiếp xúc 17 1.3 Nguồn hàn hồ quang16 1.3.1 Hệ số tiếp điện nguồn hàn16 1.3.2 Các yêu cầu với nguồn hàn hồ quang17 1.3.3 Các nguồn hàn hồ quang19 1.3.3.1 Các nguồn hàn hồ quang xoay chiều20 1.3.3.2 Các nguồn hàn hồ quang chiều23 CHƯƠNG LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN CHỈNH LƯU30 2.1 Chỉnh lưu cầu pha đối xứng 31 2.2 Chỉnh lưu cầu pha không đối xứng 34 2.3 Chỉnh lưu điều khiển pha hình tia 37 CHƯƠNG THIẾT KẾ MẠCH LỰC 40 3.1 Sơ đồ mạch 40 3.2 Tính tốn máy biến áp 41 3.3 Tính tốn chọn van 45 3.3.1 Chọn van 45 3.3.2 46 Bảo vệ van 3.4 Tính tốn cuộn kháng chiều 49 3.5 Chọn điện trở aptômat 52 CHƯƠNG THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 53 4.1 Yêu cầu mạch điều khiển 53 4.2 Nguyên lý sơ đồ khối mạch điều khiển 55 4.2.1 Sơ đồ khối 55 4.2.2 Nguyên lý mạch điều 55 4.3 Tính tốn khâu mạch điều khiển 56 4.3.1 Khâu tạo điện áp đồng 55 4.3.1 Khâu tạo điện áp cưa 59 4.3.2 Khâu so sánh 62 4.3.3 Khâu tạo xung chum 64 4.3.4 Bộ trộn xung 66 4.3.5 Khuếch đại xung biến áp xung 67 4.3.1 Khuyếch đại xung 68 4.3.2 Tính tốn biến áp xung 70 4.3.3 Khâu phản hồi 72 4.3.4 Nguồn cung cấp cho mạch điều khiển 74 CHƯƠNG MƠ PHỎNG TRÊN MÁY TÍNH 77 KẾT LUẬN 82 Tài liệu tham khảo 93 Phụ lục 94 LỜI NÓI ĐẦU Sự phát triển kinh tế quốc gia phụ thuộc nhiều vào mức độ gới hóa tự động hóa trình sản xuất Trong q trình sản xuất cơng nghiệp đại giới hóa tự động hóa giúp nâng cao suất lao động chất lợng sản phẩm Một vấn đề nhà sản xuất quan tâm việc ghép nối chi tiết với để cấu thành sản phẩm Trong tất phơng pháp ghép nối chi tiết với phơng pháp hàn điện có nhiều ưu điểm tất đáp ứng hầu hết yêu cầu nhà sản xuất Chính mà ngày máy hàn điện xuất ứng dụng rộng rãi hầu hết ngành công nghiệp, chế tạo máy ,vận tải, xây dựng nông nghiệp trở thành phần tất yếu thiếu Một phương pháp nâng cao chất lượng mối hàn sử dụng máy hàn hồ quang chiều để hàn Đề tài tốt nghiệp đồ án tìm hiểu: ‘Thiết kế nguồn hàn hồ quang chiều dùng thyristor có: Ihmax= 400 A ; Udmax= 60V’ Cùng với giúp đỡ nhiệt tình thầy giáo Ks Hoàng Võ Tùng Lâm em hoàn thành nhiệm vụ giao rút vấn đề cần thiết hàn điện với phương pháp sử dụng hợp lí kinh tế Nội dung đồ án trình bày theo sáu chương: - Chương I : Tổng quan hàn điện - Chương II : Chọn sơ đồ chỉnh lưu - Chương III : Tính tốn thiết kế mạch lực - Chương IV : Tính tốn thiết kế mạch điều khiển Trong trình tìm hiểu ,nghiên cứu thực đồ án em cố gắng trình bày vấn đề hàn điện nói chung máy hàn chiều nói riêng Nhưng thời gian nghiên cứu thực đề tài có hạn với kinh nghiệm, kiến thức thân hạn chế nên đồ án khơng tránh khỏi thiếu sót Kính mong thầy giáo hướng dẫn thầy cô giáo khoa Điện tử viễn thơng góp ý , giúp đỡ em cố kiến thức Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thực : Thân văn Quang TÓM TẮT ĐỒ ÁN Do máy hàn hồ quang điện hệ cũ có cấu tạo tương tự máy biến hạ áp gồm cuộn dây đồng đường kính lớn quấn riêng biệt chung quanh lõi từ, vật liệu làm lõi từ thép kỹ thuật mỏng ghép lại với Vì kích thước chúng to lớn, cồng kềnh, nặng nề, hiệu thấp (20%) điều quan trọng chúng ngốn lượng điện đáng kể vận hành Đồ án vào tìm hiểu, khắc phục nhược điểm máy hàn hồ quang điện hệ cũ Để đáp ứng yêu cầu máy hàn điện hệ phải sử dụng công nghệ nghịch lưu tần số cao với thành phần bên máy linh kiện điện tử bán dẫn, biến áp xung …Vì kích thước chúng gọn nhẹ, động, hiệu sử dụng cao (60%) đặc biệt tiết kiệm điện Trong đồ án sử dụng phần mềm TINA để mô kết mạch điều khiển ABSTRACT Because electric arc welders older generation have the same texture as a low voltage transformer included two large diameter copper coil separately wrapped around a core of, Core material from the engineering thin steel sheets put together So their size to large, bulky, heavy, but the performance is very low (20%) and the important thing is that they consume a significant amount of electricity to operate This thesis was studied overcome the drawbacks of electric arc welder older generation To meet that requirement that the new generation of electric welding machine must use technology high frequency inverter, the main components inside the machine is the semiconductor electronic components, pulse transformer… So their size is compact, mobile, using high-performance (60%) and especially a power saving In this project also used TINA software to simulate the results of the control circuit Danh sách hình vẽ: Hình 1.1 Mật độ nguồn nhiệt phương pháp hàn thông dụng 17 Hình 1.2 Nhiệt lượng hấp thu chi tiết hàn theo mật dịng nhiệt 18 Hình 1.3 Quan hệ công suất nguồn nhiệt độ bền mối hàn hợp kim 19 Hình 1.4 (a) Tác động mật độ nguồn nhiệt mức độ tản nhiệt hàn đến biến dạng suất hàn (b) Quan hệ suất , chi phí đầu tư mật độ nguồn nhiệt 20 Hình 1.5 Tốc độ hàn tối đa, kích thước vũng chảy theo mật độ nguồn nhiệt 21 Hình 1.6 Phân bố cơng suất nhiệt hàn 23 Hình 1.7 Độ rộng vùng ảnh hưởng nhiệt theo mật độ nguồn nhiệt 24 Hình 1.8 Phân loại phương pháp hàn điện 26 Hình 1.10 Họ đặc tính ngồi nguồn hàn hồ quang 31 Hình 1.11 Đường đặc tính nguồn hàn 32 Hình 1.12 Biến áp hàn (BAH) có cuộn kháng ngồi 33 Hình 1.13 Máy biến áp hàn kiểu hỗn hợp 33 Hình 1.14 Họ đặc tính điều chỉnh khe hở (a) cuộn khử từ 34 Hình 1.15 Đặc tính vơn-ampe mạch điện 35 Hình 1.16 Máy phát hàn chiều 37 Hình 1.17 Họ đặc tính ngồi đặc tính điều chỉnh máy hàn chiều Máy phát hàn chiều có cuộn kích từ song song cuộn khử từ nối tiếp 37 Hình 1.19 Máy phát hàn chiều có cực từ rẽ 38 Hình 2.1 Chỉnh lưu cầu pha đối xứng 44 Hình 2.2 Đồ thị dạng điện áp dòng điện chỉnh lưu cầu pha đối xứng 45 Hình 2.3 Chỉnh lưu cầu pha khơng đối xứng 47 Hình 2.4 Đồ thị chỉnh lưu cầu pha khơng đối xứng 49 Hình 2.5 Chỉnh lưu điều khiển pha hình tia 50 Hình 2.6 Đồ thị chỉnh lưu điều khiển pha hình tia với = 90 51 Hình 3.1 Sơ đồ mạch lực 54 Hình 3.2 Bảo vệ van 60 Hình 3.3 Tính tốn cuộn kháng chiều 62 Hình 4.1 Khâu tạo điện áp đồng 69 Hình 4.2 Đồ thị điện áo khâu tạo điện áp đồng 72 Hình 4.3 Khâu tạo điện áp cưa 73 Hình 4.4 Dạng đồ thị điện áp khâu tạo điện áp cưa 75 Hình 4.5 Khâu so sánh 75 Hình 4.6 Dạng đồ thị điện áp khâu so sánh 76 Hình 4.7 Khâu tạo xung chùm 77 Hình 4.8 Dạng đồ thị điện áp khâu tạo xung chùm 78 Hình 4.9 Bộ trộn xung 79 Hình 4.10 Khuếch đại xung biến áp xung 80 Hình 4.12 Nguồn cung cấp cho mạch điều khiển 85 Hình 4.12 nguồn DC cung cấp 15V 86 Hình 4.13 Khâu phản hồi 86 10 Sử dụng điện trở Shunt để lấy điện áp tỉ lệ với dòng qua mạch lực,sau khuếch đại OPAM để đưa Uph.Sau qua mạch trừ ta đưa Udk Chọn OPAM loại LM301A trên,nguồn cung cấp  12V Nguồn áp cung cấp E=15V Theo trên,để có Ud=80V,ta chọn góc điều khiển α=300 Do điểm mở tự nhiên Thyristor điện áp pha đoạn tương ứng với 300 điện nên xung phát điện áp pha đoạn tương ứng với 600 điện (do điện áp đồng pha pha với điện áp đặt lên van lực) Do góc điều khiển xác định từ việc so sánh Urc Udk giai đoạn tụ phóng phóng khoảng thời gian tương ứng với 550 điện tức là: t0= 55 0,01=3,06.10-3s=3.06ms 180 - Quan hệ Urc t giai đoạn tụ phóng là: Urc= UZ- E t C1.( R4  VR2 ) với UZ=10V,E=15V,C1=0,22µF R4=50kΩ ,VR2=14kΩ - Do Udk=Urc(to)=6,79V - Chọn R17=R18=R19=R20=1kΩ thi ta có Udk=E-Uph - Thì ta có Udk=E-Uph Chọn điện trở Shunt loại 600A-60mV Khi dịng Id=600A qua điện trở điện áp điện trở là: 84 Ushunt= 50mV Ta có : Uph= R16 Ushunt R15 Do Udk=E- R16 Ushunt R15 Do với góc điều khiển 300 Uph=E-Udk.=8,21V Ta cần chọn R14 R13 cho Uph=6,46V đó: R16 U ph = =164,2 R15 U shunt Chọn R16 =165.Chọn R16=22kΩ Chọn R15=130Ω R15 Vậy Id thay đổi tăng giảm điện áp điện trở shunt tăng giảm theo,dẫn đến Udk giảm tăng theo cơng thức Udk=E164Ushunt,làm góc điều khiển α tăng giảm theo nên Ud giảm Id tăng ngược lại,thoả mãn yêu cầu thiết kế 4.2.8 Nguồn cung cấp cho mạch điều khiển a) Sơ đồ nguồn cung cấp 85 GND LM7812C GND IN OUT OUT IN +12V -12V LM7912C Hình 4.12 Nguồn cung cấp cho mạch điều khiển Trong mạch điều khiển ta sử dụng nguồn cung cấp cho OPAM nguồn DC cho mạch đồng bộ,mạch tạo cưa,mạch khuếch đại xung.Sau ta thiết kế mạch nguồn Mạch nguồn cho khuếch đại thuật tốn hình vẽ Với nguồn cung cấp cho OPAM  12V ta chọn IC LM7815C LM7915 có Icp=1,5A Để chất lượng điện áp tốt,chọn tụ có giá trị 10µF Chọn diode loại PMDB914 Với nguồn DC cung cấp ta thiết kế mạch sau: 86 GND LM7815C IN OUT +15V Hình 4.12 nguồn DC cung cấp 15V Với nguồn cung cấp 15V ta chọn IC LM7815C Các diode tụ chọn Nhận xét: Trong chương chọn xây dựng mạch điều khiển theo phương pháp dọc tính tốn khâu mạch phù hợp với yêu cầu mạch điều khiển 87 CHƯƠNG KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Dùng phần mềm TINA để mô mạch điều khiển Các thông số chọn tính tốn Sơ đồ mạch điều khiển cho van T1 T4: 88 Kết mô cho van van sau: 89 T 600.00 Ua Udb -600.00 20.00 Urc -10.00 10.00 0.00 7.00 Uss Utx1 Utx2 -1.00 8.00 -2.00 8.00 -2.00 5.00 Uxung1 Uxung2 V1 V4 0.00 5.00 0.00 4.00 -1.00 4.00 -1.00 20.00m 30.00m 40.00m 50.00m Time (s) 90 Sơ đồ mạch điều khiển cho van lại tương tự, mô điều khiển van T3 T6 T 5.00 0.00 600.00 Ub Udb -600.00 20.00 Urc Uss Utx1 Utx2 -10.00 10.00 0.00 7.00 -1.00 8.00 -2.00 8.00 -2.00 5.00 Uxung6 0.00 4.00 V3 V6 -1.00 4.00 -1.00 20.00m 30.00m 40.00m 50.00m Time (s) 91 Mô điều khiển van T2 T5 T 600.00 Uc Udb -600.00 20.00 Urc -10.00 10.00 0.00 7.00 Uss Utx1 Utx2 -1.00 8.00 -2.00 8.00 -2.00 5.00 Uxung2 Uxung5 V2 V5 0.00 5.00 0.00 4.00 0.00 4.00 0.00 20.00m 30.00m 40.00m 50.00m Time (s) Nhận xét : Theo thông số tính tốn ta mơ phần mềm TINA, ta thấy mạch hoạt động Các van thi dẫn có tín hiệu Có tính khả thi làm mạch thật 92 KẾT LUẬN Qua trình làm đồ án tốt nghiệp đề tài : ‘Thiết kế nguồn hàn hồ quang chiều dùng thyristor có: Ihmax= 400 A ; Udmax= 60V’ Đã giúp em cố nhiều kiến thức học nhà trường Đặc biệt hướng dẫn nhiệt tình thầy giáo Ks Hoàng Võ Tùng Lâm thầy cô khoa Điện tử viễn thông giúp em hoàn thành đồ án Qua đề tài giúp em hiểu rõ khái niệm kiến thức mạch lực mạch điều khiển thyristor qua em thấy rõ vai trò quan trọng lý thuyết thực tiễn tới đề tài mà em thực vận dụng kiến thức học để tìm hiểu phân tích hiểu rõ yêu cầu mục đích yêu cầu thực tiễn để cải tiến thiết kế phù hợp với yêu cầu công nghệ Do thời gian có hạn nên đồ án cịn nhiều thiếu sót, em hy vọng thầy hội đồng góp ý, bảo thêm để đồ án em trở nên hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn ! Vinh, ngày 11 tháng năm 2015 Sinh viên thực hiện: Thân Văn Quang 93 Tài liệu tham khảo: [1] Võ Minh Chính(chủ biên), Phạm Quốc Hải,Trần Trọng Minh, Điện tử công suất, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội 2008 [2] Lê Văn Doanh(chủ biên), Nguyễn Thế Công,Trần Văn Thịnh, Điện tử công suất,Lý thuyết,Thiết kế,Ứng dụng, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2007 [3] Phạm Quốc Hải, Hướng dẫn thiết kế mạch điện tử công suất Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi, Phân tích giải mạch điện tử công suất, Nhà xuất khoa học kỹ thuật [5] Phạm Văn Chới, Bùi Tín Hữu, Nguyễn Tiến Tơn, Khí cụ điện, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2004 [6] Nguyễn Trinh Đường(chủ biên), Lê Hải Sâm, Lương Ngọc Hải, Nguyễn Quốc Cường, Điện tử tương tự, Nhà xuất giáo dục, 2007 94 Phụ lục: Thông số linh kiện dùng mạch điều khiển: Tên phần tử Trị số Linh kiện Loại 95 R0,R5,R9,R10,R12, 1kΩ Điện trở R14,R17,R18,R19,R20 R1 1kΩ R2 24kΩ R4 50kΩ R3 2kΩ VR2 15kΩ R6,R7 13kΩ,7,5kΩ R8 3,3kΩ R11 15kΩ R13 12Ω R15 130Ω R16 22kΩ D1,D2,D3 Biến trở Diode PMDB914 OPAM LM301 AND 4073 Diode Zener BZX284-B10 T1 BD135 T2 BC107 IC LM7812C IC LM7815C IC LM7912C Rsun 600V-60mA Điện trở Shunt C1 0,22µF Tụ điện C2 0,1µF C3 1µF 96 97 98 ... hàn Có hai loại nguồn hàn hồ quang : nguồn hàn hồ quang xoay chiều nguồn hàn hồ quang chiều 1.3.3.1 Các nguồn hàn hồ quang xoay chiều Khi hàn điện xoay chiều người ta thường sử dụng biến áp hàn. .. Hệ số tiếp điện nguồn hàn1 6 1.3.2 Các yêu cầu với nguồn hàn hồ quang1 7 1.3.3 Các nguồn hàn hồ quang1 9 1.3.3.1 Các nguồn hàn hồ quang xoay chiều2 0 1.3.3.2 Các nguồn hàn hồ quang chiều2 3 CHƯƠNG... tốt nghiệp: Với đề tài: ? ?Thiết kế nguồn hàn hồ quang chiều dùng thyristor có: Ihmax= 400A ; Udmax=60V? ?? Thiết kế mày hàn hồ quang hệ thay mày hàn hồ quang điện hệ cũ có nhiều nhược điểm Bằng cách