Chương II: Các loại máy hàn trong ngành công nghiệp sản xuất ô tô
I. Thiết kế bộ điều áp xoay chiều cho máy hàn điểm
1. Bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều một pha
a. Sơ đồ:
- Sử dụng hai tiristo nối song song ngược (hình 3.1a).
- Sử dụng một triac về cấu tạo gồm hai tiristo nối song song ngược và chỉ có một cực điều khiển. Sơ đồ này được ứng dụng trong trường hợp công suất nhỏ (hình 3.1b).
- Sử dụng hai điôt và hai tiristo catôt nối chung để đơn giản hóa mạch điều khiển (hình 3.1c).
- Sử dụng bốn điôt và một tiristo để giảm giá thành trong trường hợp công suất lớn nhưng tăng tổn hao dẫn (hình 3.1d).
Trong bộ điều áp xoay chiều, các linh kiện điện tử công suất làm việc ở chế độ dẫn-khóa theo chu kỳ của điện áp nguồn. Sự chuyển mạch từ dẫn sang khóa một cách tự nhiên tùy theo dấu của điện áp đặt trên các linh kiện.
Hình 3.1: Bộ điều áp xoay chiều một pha.
b. Điều áp xoay chiều một pha tải thuần trở.
- Xét sơ đồ ở hình 3.1a gồm hai tiristo nối song song ngược, nối từ nguồn tới tải thuần trở R. Tại thời điểm < t < và + < t < 2 đưa xung mới vào cực điều khiển tiristo T1 và T2. Trong các thời điểm này T1 và T2 dẫn, bỏ qua điện áp rơi trên các tiristo điện áp nguồn đặt trực tiếp lên tải, do đó dòng qua tải R bằng:
i= khi < t < và + < t < 2 .
i= 0 ở các thời điểm còn lại.
- Trị hiệu dụng của dòng điện qua tải:
I2 = sin2 t d t =
I2 =
I =
- Khi biến thiên từ 0 đến , dòng điện hiệu dụng biến thiên từ I đến 0 (như hình 3.2)
Hình 3.2: Hình dáng điện áp và dòng điện khi tải thuần trở c. Điều áp xoay chiều một pha tải R-L.
Khi tải R-L, góc lệch pha của tải = arctg làm giảm sự biến thiên của .
• Khi < α < (hình 3.3):
Tiristo T được mồi ở t0 = α. Từ thời điểm này phương trình của mạch là:
L. + R.i = Umsin t
Nghiệm dòng điện i có biểu thức:
i = if + il = sin( t – ) – sin( – )
với Z = và tg =
Thành phần il âm bởi vì > , dòng điện triệt tiêu là tiristo bị khóa khi t = t1:
t1 < + < + α
Ở thời điểm t = T/2 + t0, tiristo T’ có điện áp âm và nhận một xung trên cực điều khiển làm cho T’ trở nên bán dẫn, và có dòng điện chạy qua tương tự như đối với nửa chu kỳ dương của điện áp. Trên hình vẽ 3.3 đồng thời cũng vẽ đường cong dòng điện và điện áp ngược đặt trên tiristo.
Khi , các tiristo luôn bị khóa bởi vì xung mồi đến điên áp uAK luôn âm.
Khi = , thành phần hàm mũ của i bằng không, dòng điện hình sin và nối trực tiếp nguồn với tải. Như vậy khi thay đổi góc mồi giữa , dòng điện hiệu dụng thay đổi từ 0 đến cực đại bằng U/Z.
Hình 3.3: Dạng sóng điều áp một pha tải R-L khi góc mồi (Hình scan)
• Khi < thì sự hoạt động của bộ điều áp phụ thuộc vào tín hiệu đưa vào cực điều khiển.
- Nếu xung mồi rất ngắn (hình 3.4), tiristo T nhận được xung mồi đầu tiên và được mở, dòng điện i cho bởi biểu thức:
i = if + il = sin( t – ) – sin( – )
Bây giờ thành phần dòng cưỡng bức if và il cùng dấu. Dòng điện triệt tiêu khi:
t1 > + , do đó lớn hơn + . Xung đến cực điều khiển của tiristo T’ ở thời điểm t = + khi tiristo này có điện áp uAK âm, do điện áp rơi trong T đang dẫn đã đổi dấu, và do vậy T’ không được mồi. Khi điện áp U’T trở nên dương, tại t = t1 không còn xung mồi trên cực điều khiển của T’ nữa. Vì lý do đó sơ đồ làm việc không bình thường như chỉnh lưu một nửa chu kỳ, một nửa chu kỳ dòng điện biến mất một cách đột ngột. Dòng điện I chuyển từ U/Z sang U/Z (hình 3.4)
- Nếu xung mồi có độ rộng đủ lớn (hình 3.5), giả thiết T dẫn đầu tiên và còn dẫn ở thời điểm t = t1 như trước.
Khi t = t1, điện áp uAK của T’ trở thành dương và trên cực điều khiển của nó vẫn có xung mồi từ thời điểm t = ( + )/ , do vậy T’ dẫn. Thành phần il
trong biểu thức của I vẫn như trong trường hợp T dẫn. Cũng vậy, khi t = t2, T sẽ dẫn trở lại. Sau một vài chu kỳ thành phần il mất đi và dòng điện i trùng với dòng cưỡng bức hình sin if. Việc chuyển từ góc < không tạo nên hoạt động không bình thường nữa, trị số hiệu dụng I vẫn bằng U/Z, bộ điều áp làm việc như một khóa chuyển mạch đóng thường xuyên như khi = .
Ta sẽ thấy điều kiện khi tải là động cơ (R L) đảm bảo mạch không đột ngột làm việc như mạch chỉnh lưu, với điều kiện là xung mồi phải có chiều rộng đủ lớn.
Hình 3.4: Điều áp một pha, tải R-L hoạt động không bình thường
Hình 3.5: Điều áp một pha, tải R-L xung điều khiển đủ rộng 2. Đặc tính điều khiển.
Với tải thuần trở = 0) và tải R L (0 < < /2), góc t1 = 1 kết thúc dẫn của tiristo T cho bởi phương trình:
sin ( 1 ) = sin (
trong đó Q = L/R.
Trị hiệu dụng U’ của điện áp trên tải là:
U’ = U
Điện áp trên tải U’ biến thiên từ U đến 0 khi từ đến .
Khai triển Fourier của điện áp tải v’ ta thấy, ngoài điều hòa cơ bản tần số còn có mặt tất cả các điều hòa bậc lẻ.
Trên hình 3.6 ta thấy, khi = 0 và = thì biến thiên theo : của trị hiệu dụng điện áp ra U’, của trị hiệu dụng song cơ bản điện áp ra U’1, của các thành phần bậc 3, 5, 7: U’3, U’5, U’7 tính theo U’. Trong các thành phần điều hòa thì điều hòa bậc ba có trị số lớn nhất, khi U’ nhỏ thì điều hòa bậc ba lớn hơn sóng cơ bản.
Dòng điện cơ bản và các dòng điện điều hòa được xác định theo công thức:
I1 = = ,
I3 = , I5 = .
Hình 3.6: Đặc tính điều khiển.
Ta nhận thấy khi tải điện cảm, vai trò các điều hòa dòng điện bậc cao càng giảm. Tuy nhiên bộ điều áp xoay chiều tiêu thụ công suất phản kháng ở sóng cơ bản ngay cả khi tải thuần trở, do góc mồi trễ, dòng điện vẫn chậm pha sau điện áp.
Trên hình 3.7 biểu diễn biến thiên của các loại công suất theo góc mồi đối với tải thuần trở và tải R – L, trong đó:
S = U.I là công suất biểu kiến của lưới;
D = U là công suất biến dạng;
P = U.I1cos là công suất tác dụng;
Q1 = U.I1sin là công suất phản kháng.
Các biểu đồ tính theo công suất biểu kiến S0 = U2/Z.
Hình 3.7: Đặc tính công suất theo góc mở . II. Thiết kế mạch điều khiển.