TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ THÔNG TIN ĐỒ ÁN 2 Đề tài “ Thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu có điều khiển cho tải máy hàn một chiều ” Giảng viên hướng dẫn T S TRẦN VĂN THỊNH Sinh viên thực hiện NGUYỄN VIỆT ANH Lớp K21 TĐH Khoá 2018 2022 Hệ CHÍNH QUY Hà Nội, tháng 22022 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 4 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ HÀN MỘT CHIỀU 4 1 1 Khái niệm về hàn điện 5 1 2 Định nghĩa hàn 5 1 3 Hồ quang điện và hàn hồ quang điện 5 1 4 Các yêu cầu chung đối với hàn hồ quang điện 6 CHƯƠNG I.
QUAN VỀ CÔNG NGHỆ HÀN MỘT CHIỀU
Khái niệm về hàn điện
Hàn điện là công nghệ quan trọng trong kỹ thuật hiện đại, được ứng dụng rộng rãi trong các ngành đóng tàu, xây dựng và chế tạo máy móc Máy hàn điện không chỉ cần thiết cho các doanh nghiệp lớn mà còn được sử dụng phổ biến ở các đơn vị sản xuất nhỏ trong nhiều lĩnh vực công nghiệp khác nhau.
Định nghĩa hàn
Hàn là quá trình nối hai vật liệu bằng kim loại với nhau bằng cách nung nóng chổ nối đến nóng chảy hoặc gần nóng chảy.
Hồ quang điện và hàn hồ quang điện
Hồ quang điện hàn là hiện tượng phóng điện trong chất khí với mật độ dòng điện lớn từ 10^2 đến 10^3 A/mm^2 Trong điều kiện bình thường, chất khí không dẫn điện, nhưng khi áp dụng điện trường đủ mạnh lên hai điện cực trong môi trường không khí, nó có thể phá vỡ cách điện và cho phép dòng điện lớn chảy qua Khả năng dẫn điện này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tính chất của chất khí, áp suất, nhiệt độ môi trường, vật liệu của điện cực và cường độ điện trường Đặc tính V-A và đặc tính tĩnh của hồ quang cũng đóng vai trò quan trọng trong việc giảm điện áp khởi động mà vẫn duy trì được hồ quang.
B C D cực tiếp xúc nhau gây ra I đoản mạch.
Nếu I đoản mạch đủ lớn sẻ nung kim loại chổ tiếp xúc nóng chảy.
Thường sử dụng đoạn đặc tính CD đẻ hàn.
Hàn điện hồ quang sử dụng nhiệt lượng từ hồ quang điện để nung chảy kim loại tại chỗ hàn, kết hợp với kim loại bổ sung, nhằm nối liền hai vật liệu với nhau.
Khi hàn: cho que hàn chạm vào vật hàn 0.1 s xong đưa lên cao 3-4 mm
Khi que hàn tiếp xúc với vật hàn, điện trở làm cho đầu que hàn và vị trí tiếp xúc bị nung nóng Khi nhấc que hàn lên, các điện tử bắn ra với tốc độ cao, va chạm vào vật hàn và chuyển đổi động năng thành nhiệt năng, khiến vật hàn chảy Môi trường giữa que hàn và vật hàn bị ion hóa, các ion di chuyển nhanh chóng, làm tăng nhiệt độ và dẫn đến que hàn nóng chảy và nhỏ giọt xuống vật hàn.
1.4: Các yêu cầu chung đối với nguồn hàn hồ quang.
Nguồn điện cung cấp cho hàn hồ quang có thể là xoay chiều hoặc một chiều.
Trong đó nguồn hàn hồ quang một chiều có hai loại là :
- Bộ biến đổi quay(máy phát hàn một chiều).
- Bộ biến đổi tĩnh(bộ chỉnh lưu).
Sự phát triển của kỹ thuật bán dẫn công suất lớn đã mở ra nhiều ứng dụng mới cho nguồn hàn một chiều Nguồn hàn một chiều sử dụng bộ chỉnh lưu để chuyển đổi điện năng, mang lại hiệu suất cao và ổn định trong quá trình hàn.
+ Chỉ tiêu năng lượng cao
+ Hiệu suất cao, chi phí vận hành, bão dưỡng và sữa chữa thấp.
Tuy nhiên chúng đều có những yêu cầu chung sau:
- Điện áp không tải đủ lớn và lớn hơn áp khi có tải để mồi được hồ quang và hàn được dễ dàng:
Nguồn hàn một chiều với điện cực là:
- Đảm bảo an toàn lúc làm việc ở chế độ làm việc cũng như ở chế độ ngắn mạch làm việc Bội số làm việc ngắn mạch không được quá lớn.
Trong đó: -Bội số dòng điện ngắn mạch
- Nguồn hàn phải có công suất lớn.
Nguồn hàn cần có khả năng điều chỉnh dòng hàn, vì dòng điện hàn phụ thuộc vào đường kính que hàn Dòng điện hàn được tính theo công thức cụ thể.
Trong đó : - Dòng điện hàn [A]
D - Đường kính que hàn [mm].
Các yêu cầu chung đối với hàn hồ quang điện
Đặc tính ngoài là đường biểu diễn quan hệ giữa áp trên hai đưa ra của máy với dòng tải
Các đặc tính ngoài của nguồn điện
Nguồn hàn dùng cho phương pháp hàn hồ quang bằng tay phải có đường đặc tính ngoài dốc.
Nguồn hàn dùng cho phương pháp hàn hồ quang tự động phải có đường đặc tính ngoài cứng.
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH CÔNG SUẤT
Các phương án thiết kế
2.1.1: Chỉnh lưu ti aba pha có điều khiển.
- Điện áp chỉnh lưu nhận được với
- Điện áp ngược đặt lên van:
- Dòng điện tải trung bình:
- Dòng điện trung bình qua van:
- Dòng điện thứ cấp máy biến áp :
- Công suất máy biến áp :
2.1.2: Chỉnh lưu cầu bap ha có điều khiển không đối xứng.
Sơ đồ và đồ thị:
- Điện áp chỉnh lưu nhận được:
- Điện áp ngược đặt lên van:
- Dòng điện tải trung bình:
- Dòng điện trung bình qua van:
- Dòng điện thứ cấp máy biến áp:
- Công suất máy biến áp:
- Điện áp chỉnh lưu nhận được:
- Điện áp ngược đặt lên van:
- Dòng điện tải trung bình:
- Dòng điện trung bình qua van:
- Dòng điện thứ cấp máy biến áp:
- Công suất máy biến áp :
2.1.3: Chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển.
Sơ đồ và đồ thị:
Sơ đồ hình tia 3 pha:
Bộ nguồn tuyến tính thường được lựa chọn khi công suất tải không quá lớn so với biến áp nguồn cấp, giúp tránh gây mất đối xứng cho nguồn lưới Ngoài ra, loại bộ nguồn này cũng phù hợp với các tải không có yêu cầu quá cao về chất lượng điện áp một chiều.
Biến áp nguồn là thiết bị cần thiết để cung cấp điểm trung tính cho tải, với công suất lớn hơn công suất một chiều tới 1,35 lần Mặc dù sụt áp trên van nhỏ, loại biến áp này vẫn phù hợp cho các ứng dụng điện áp thấp Việc sử dụng nguồn 3 pha cho phép nâng cao công suất tải, đồng thời giảm độ đập mạch điện áp sau khi chỉnh lưu, giúp giảm kích thước cuộn kháng lọc.
Sơ đồ cầu 3 pha điều kiển không đối xứng:
Sơ đồ này có dòng chạy trong thứ cấp máy biến áp là dòng xoay chiều nên trong máy biến áp không có hiện tượng từ hoá cưỡng bức.
Công suất tính toán của máy biến áp gần bằng công suất tải cho thấy thành phần sóng điều hòa bậc cao trong sơ đồ cầu là không đáng kể Chất lượng điện áp một chiều đạt yêu cầu tốt, giúp giảm điện kháng của bộ lọc và kích thước bộ lọc Hơn nữa, việc điều khiển chỉ một nhóm tiristo (t1, t3, t5) làm cho quá trình chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển trở nên đơn giản hơn so với các sơ đồ điều khiển phức tạp khác.
.Sơ đồ cầu 3 pha có điều khiển:
Số xung đập mạch trong một chu kỳ lớn m = 6 giúp giảm kích thước cuộn kháng, từ đó hạn chế dòng điện đập mạch sau khối chỉnh lưu, cải thiện chất lượng điện áp.
Sơ đồ này thể hiện hệ số sử dụng biến áp cao, với công suất của máy biến áp gần bằng công suất tải Trong máy biến áp, không xảy ra hiện tượng từ hoá cưỡng bức do dòng điện trong cuộn dây thứ cấp là xoay chiều, dẫn đến tổng ampe vòng của thành phần một chiều trên mỗi trụ biến áp bằng không.
Vì vậy ta chọn mạch chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển là thích hợp nhất.
Thiết kế mạch lực
Thiết kế máy biến áp
- Điện áp pha thứ cấp:
Phương trình cân bằng điện áp khi có tải:
Sụt áp trên cuộn kháng lọc:
Sụt áp trên máy biến áp :
- Công suất máy biến áp:
(Với ksd:hệ số công suất theo sơ đồ mạch động lực.)
- Với sơ đồ cầu 3 pha có điều khiển ta có:
- Điện áp pha thứ cấp máy biến áp :
- Dòng hiệu dụng thứ cấp máy biến áp :
- Dòng sơ cấp máy biến áp :
Chọn mạch từ 3 trụ, tiết diện mỗi trụ :
: Hệ số phụ thuộc phương thức làm mát, lấy (máy biến áp khô)
M: số trụ của máy biến áp
- Số vòng vôn: (vôn/vòng)
- Số vòng dây sơ cấp: vòng ; chọn w 1 = 1465 vòng
- Số vòng dây thứ cấp: vòng; chọn w 2 0 vòng
- Chọn mật độ dòng điện :
- Tiết diện dây dẫn sơ cấp:
- Tiết diện dây dẫn thứ cấp:
2.3.2: Tính chọn van động lực.
Các thông số để chọn van:
- Điện áp chỉnh lưu không tải :
- Điện áp ngược lớn nhất mà van phải chịu:
=1,6 119,2 = 191 (v); (chọn hệ số dự trữ kdtu = 1,6.)
Dòng điện làm việc của van: itbvan = I d 3
= 250/3 (A) Chọn chế độ làm mát cho van là làm mát bằng quạt gió.
Chọn hệ số dự trữ dòng điện : KDTI = 2
Van phải chịu được : iv = kdti ITBVAN = 2.83 = 166 (A)
- Tiristor: N520CH04GOO (trang 219 sách Tính toán và thiết kế thiết bị điện tử công suất của thầy Trần Văn Thịnh) với các thông số: max max
Với yêu cầu của điện áp hàn có Kđm = 0,02
Hệ số san bằng của mạch lọc : Ksb = Kđmv/Kđmr với sơ đồ cầu 3 pha điều khiển đối xứng ta có: Kđmr= 0,057
Ksb = Kđmv/Kđmr Tải có điện trở tương đương: ta có giá trị điện cảm:
Vậy : Điện cảm yêu cầu của cuộn kháng lọc :
Dòng định mức chạy qua cuộn kháng: Idm%0 (a)
Biên độ dòng xoay chiều bậc 1: I1m%Idm% (a)
Do cuộn kháng có dòng điện lớn và điện trở nhỏ, tổng trở của cuộn kháng gần bằng điện kháng, được tính bằng công thức zl = xl = wL = 2 f.1,27.10^-3 = 398,98.10^-3 Do đó, điện áp rơi trên cuộn kháng lọc là 398,98.10^-3 = 42,3V.
KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển
Sơ đồ cấu trúc minh họa quá trình tạo ra điện áp tựa UT với dạng cố định, thường là răng cưa hoặc hình sin, theo chu kỳ nhịp đồng bộ của UĐB Khâu so sánh “SS” xác định thời điểm cân bằng giữa hai điện áp UT và UĐK để kích hoạt khâu tạo xung TX Do đó, thời điểm phát xung mở van hay góc điều khiển sẽ thay đổi theo trị số của UĐK, thể hiện bằng sự di chuyển theo chiều dọc trên đồ thị.
3.2.Thiết kế mạch điều khiển
Khi cấp nguồn vào sơ cấp của biến áp đồng pha, điện áp ở phía thứ cấp sẽ được hạ áp và sau đó qua mạch chỉnh lưu, tạo ra điện áp một chiều nửa hình sin U1 Điện áp này được đưa vào cực (+) của OA1 để so sánh với điện áp phẳng U từ E1, VR1 và R2 tại cực (-) của OA1, từ đó sinh ra tín hiệu đầu ra U2 của OA1 dưới dạng xung vuông đồng bộ với lưới Điện áp xung vuông U2 sau đó được đưa vào mạch tạo điện áp răng cưa; khi U2 âm, diode D3 mở cho phép tụ C1 nạp từ U3 qua R3 và diode D3 Khi U2 dương, diode D3 khóa, dẫn đến việc tụ C1 phóng điện từ +C1 qua DZ về âm.
Kết quả cho thấy điện áp U3 có dạng răng cưa Điện áp điều khiển UĐK được lấy từ điện áp phản hồi trên điện trở shunt, sau đó được khuyếch đại để đạt độ lớn phù hợp Qua quá trình khuyếch đại đảo và lọc sai số động bằng khâu PI, ta thu được UĐK có dạng đường thẳng Điện áp răng cưa U3 được đưa vào cửa (-) của OA3 và so sánh với điện áp điều khiển UĐK tại cửa (+) Khi U3 lớn hơn UĐK, điện áp đầu ra của OA3 sẽ thay đổi.
OA3 là U4 có giá trị âm Ngược lại, khi U3 < UĐK thì điện áp đầu ra U4 có giá trị dương Kết quả ta được U4 có dạng xung vuông.
Khâu phát xung chùm tạo ra chùm xung thông qua sự phóng nạp của tụ C2, trong khi D9 có nhiệm vụ loại bỏ xung âm Kết quả là tín hiệu điện áp U6 có dạng chùm xung dương Sau đó, điện áp U4 được trộn với chùm xung U6 thông qua IC4081 trước khi được đưa đi.
Mạch tằng khuyếch đại sử dụng transistor theo kiểu Darlington, trong đó xung dương được đưa vào bazơ của transistor TR1 để mở cả TR1 và TR2, tạo ra xung cho biến áp xung Tại cuộn thứ cấp của biến áp, xung này kích mở tiristo Khi điện áp trên biến áp xung giảm đột ngột, cuộn dây xuất hiện sức điện động cảm ứng ngược dấu, tại thời điểm này điốt D4 sẽ hoạt động.
D7 có tác dụng trả ngược điện áp dập tắt sức điện động để bảo vệ các
Transistor khỏi bị quá áp.
Tính toán các khâu trong mạch điều khiển
3.3.1.Tính toán khâu đồng bộ:
Chọn góc duy trì và thoát năng lượng =5thì điện áp U 1 đặt vào cửa
(+) của bộ so sánh là: U=umaxsin 5 =.12.sin 5 = 1,48(v)
Chọn R 2 = 5 (k) , VR 1 = 50 (k) Để điện trở đầu vào của OA1 là lớn ta chọn điện trở R có giá trị là 100(k).
3.3.2: Khâu tạo điện áp răng cưa.
Chu kì của điện áp lưới là: tương ứng với 360
chu kì của điện áp răng cưa là : tương ứng với 180
Trong đó : T P - thời gian phóng của tụ C 1
T N - thời gian nạp của tụ C 1
Như trên ta đã chọn = 5 tức là T N = 10 T P = 180 - 10 = 170
Tương ứng với thời gian là: T P T N Chọn giá trị của tụ C1 = 0,2f
Gọi dòng địên trong quá trình nạp là I n Sau khoảng thời gian T = T N =
0,6 (ms) thì điện áp trên tụ đạt giá trị UC0 vậy ta có:
Chọn R3 có giá trị là 3,5 k.
Gọi dòng địên trong quá trình phóng là I P Sau khoảng thời gian T =
T P = 9,4 (ms) thì điện áp trên tụ về giá trị 0 vậy ta có:
Chọn R 4 = 20 k, VR 2 = 50 k có thể điều chỉnh được.
3.3.3: Khâu so sánh. Đ ể đảm bảo cho dòng điện đi vào các cửa của khuyếch đại thuật toán nhỏ hơn 1mA ta chọn R 5 =R 6 k
Chọn tần số phát xung là f = 10 khz
Theo kinh nghiệm thường chọn R 9 + R 10 cỡ 20 k, để giảm độ chênh lệch giữa 2 cửa vào của oa chọn R 10 nhỏ hơn R 9 vậy chọn R 10 = 5k, R 9 = 15k
Chọn trị số tụ điện C2 là 10 nf
Để đạt được sườn xung dốc đứng, chọn trị số của R8 là 2,5 kΩ và sử dụng các loại OA có tốc độ tăng áp lớn như LF351 hoặc các comparator như LM301, LM339 Những loại OA thông dụng như LM324 và μA741 không phù hợp cho tần số trên 10 kHz vì không tạo ra sườn xung thật dốc.
Khâu trộn xung sử dụng IC các cổng AND có 3 đầu vào với các thông số: nguồn nuôi IC : VCC = 315 (v), ta chọn: VCC = 12 (v).
Nhiệt độ làm việc : - 40 o C 80 o C Điện áp ứng với mức logic “1”: 2.54,5 (V)
Dòng điện nhỏ hơn: 1 mA
Bảng chân lí của cổng and:
Nguyên lý hoạt động của khâu phản hồi :
Điện áp phản hồi từ nguồn hàn được lấy qua điện trở SHUNT và do có giá trị nhỏ, nên cần được khuếch đại để đạt điện áp thích hợp Sau đó, điện áp này sẽ được đưa vào bộ cộng (đảo) để so sánh với điện áp đặt cho nguồn hàn hoạt động.
Sau đó điện áp phản hồi được đưa qua khâu pi để loại bỏ các sóng nhiễu có tần số cao làm cho mạch tăng tính ổn định
Chọn điện áp trên điện trở shunt URS = 2,5 v
Chọn: RS = 0,0015 và PRS = 10 Kw
Tính toán biến áp oKhâu ổn áp:
U v; I=0,6 A công suất của khâu ổn áp là:
U V; i=1 A công suất của nguồn ổn áp là:
U V; I=0,1 A công suất của nguồn đồng pha là:
P=U.I$.0,1=2,4 (W) tổng công suất của cả ba khâu là:
Số vòng cuộn thứ cấp biến áp của khối ổn áp :
Chọn mật độ dòng điện thứ cấp là j*/mm.thiết diện dây thứ cấp là:
Chọn dây chuẩn có thiết diện dây là: Q=0,3019 tương đương với đường kính
Số vòng cuộn thứ cấp biến áp của khối công suất :
Chọn mật độ dòng điện thứ cấp là j*/mm.thiết diện dây thứ cấp là:
Chọn dây chuẩn có thiết diện dây là: q=0,5027 tương ứng với đường kính d=0,8mm
Số vòng cuộn thứ cấp biến áp khối đồng pha :
Chọn mật độ dòng điện thứ cấp là j*/mm.thiết diện dây thứ cấp là:
Chọn dây chuẩn có thiết diện dây là: q=0,05726tương ứng với đường kính d=0,27mm
Tính toán phía sơ cấp biến áp
Dòng điện sơ cấp trong máy biến áp là:
Số vòng cuộn sơ cấp biến áp :
Chọn mật độ dòng điện thứ cấp là j*/mm.thiết diện dây sơ cấp là:
Chọn dây chuẩn có thiết diện dây là: tương ứng với đường kính Tính toán khâu chỉnh lưu và ổn áp:
Chúng ta sử dụng mạch chỉnh lưu cầu một pha với diode và điện áp thứ cấp từ máy biến áp nguồn nuôi là U2 Để đảm bảo điện áp ra của nguồn nuôi được ổn định, ta áp dụng hai IC ổn áp 7812.
7912, các thông số chung của vi mạch này: Điện áp đầu vào : UV = 735 (V). Điện áp đầu ra : URA = 12(V) với IC 7812.
URA = -12(V) với IC 7912 Dòng điện đầu ra: IRA = 01 (a).
Tụ điện C4 dùng để lọc thành phần sóng hài bậc cao.
Các diode D1 D8 chọn loại diode thông thường có các thông số:
3.3.8:Khuyếch đại xung & biến áp xung:
Theo phần tính toán ở mạch lực ta chọn van thyristor N520CH04GOO Giá trị này là giá trị dòng và áp ở thứ cấp của BAX
Tham khảo các tài liệu cho thấy tỷ số biến áp xung thường áp dụng m=13 là tốt nhất. Ở đây ta chọn m = 2
Vậy giá trị dòng sơ cấp của BAX
Chọn vật liệu lõi biến áp xung là ferit làm việc trên một phần của đặc tính từ hóa: BS = 0,45 t, độ từ thẩm A = 6000 a/m, diện tích lõi 1cm 2
Số vòng dây cuốn sơ cấp BAX:
Trong đó: Tx là chiều dài xung truyền qua máy biến áp thường có giá trị từ 10 đến 600s Ở đây ta chọn T x là 350 s
S là tiết diện lõi ferit Thay số vào ta có:
Số vòng dây cuốn thứ cấp BAX:
(vòng) Giá trị trung bình ở sơ cấp và thứ cấp BAX
Đường kính cuộn sơ cấp, thứ cấp BAX (khi ta chọn j = 2.35 (A/mm 2 )
Như vậy ta chọn d 1 = 0,1 (mm), d 2 = 0,15 (mm)
Chọn Tr2 loại H1061 với các thông số:
Ta có: IBT2 = IECT1 = 15 (ma)
Chọn Tr1 loại C828 với các thông số:
Sơ đồ nguyên lí mạch điều khiển : r r i d s r a u 16 15 r 17 18 r r 19 r ® k u
P ha b u b u c u đ k X un gC hù m X un gC hù m đ k u u s e e - 3
