Thiết kế bộ chỉnh lưu dùng cho máy hàn 1 chiều

LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay,cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ và nhữngứng dụng của nó trong công nghiệp nói chung và trong công nghiệp điện tử nói riêng.Những thiết bị điện

ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay,cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ và nhữngứng dụng của nó trong công nghiệp nói chung và trong công nghiệp điện tử nói riêng.Những thiết bị điện tử công suất lớn đã ra đời và đang trở nên thông dụng,cần thiết đối với cuộc sống vì vậy việc nắm bắt,am hiểu rõ về thiết bị này đối với các kỹ sư điện là ắt buộc

Sự ra đời, phát triển nhanh chóng và ngày càng hoàn thiện của các linh kiện điện tử, bán dẫn công suất lớn như Diode, Thyristor, Triac, Tranzitor và đặc biệt là vi xử lí đã tạo ra một bước đột phá mới làm thay đổi một cách sâu sắc, toàn diện cũng như thúc đẫy mạnh mẽ sự phát triển các thiết bị, hệ thống thiết

bị điện- điện tử, các hệ thống điều khiển…

Đối với sinh viên khoa điện nói chung và đặc biệt là sinh viên ngành tự độnghóa của chúng em thì việc nắm vững lí thuyết môn học Điện Tử Công Suất vàbiết cách ứng dụng chúng vào thực tế là điều rất quan trọng Hiện nay hàn điện là một công nghệ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, trong xây dựng và trong công nghiệp chế tạo máy ở học kỳ này em được các thầy cô giao cho đồ án môn học có đề tài là: Thiết kế bộ chỉnh lưu máy hàn hồ quang một chiều

Được sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình cuả các thầy cô trong bộ môn và

đặc biệt là sự hướng dẫn trực tiếp của thầy Tạ Duy Hà, emđã hoàn thành đồ

án đúng thời gian quy định

Mặc đù em đa cố gắng rất nhiều trong việc tìm hiểu cũng thiết kế đồ án nhưng do trình độ có hạn nên đồ án không thể tránh khỏi sai sót, rất mong sự đóng góp ý kiến của các thầy cô và các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

ChươngI: khái niệm chung về công nghệ hàn một chiều

1.Khái niệm về hàn điện:

hàn điện là một công nghệ phổ biến nhất trong kỹ thuật hiện đại.ở các ngành đóng tàu,ngành xây dựng,ngành chế tạo máy móc không thể thiếu máy hàn điện.Hàn điện củng được áp dụng ở những đơn vị sản xuất nhỏ và những công

ty lớn trong các ngành công nghiệp khác

2.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

3 Hồ quang điện và hàn hồ quang điện:

Hồ quang điện hàn là một dạng phóng điện trong chất khí với mật độ dòng điện lớn(102 đến 103A/mm2) ở điều kiện bình thường chất khí hầu như không dẫn điện Nếu đặt lên hai điện cực trong môi trường không khí một điện

trường có cường độ đủ lớn thì có thể phá vỡ cách điện của chất khí và có khả năng dẫn dòng điện lớn, phụ thuộc vào tính chất chất khí, áp suất của nó, nhiệt

độ môi trường, vật liệu làm điện cực, độ lớn của cường độ điện trường… Đặc tính V-A, đặc tính tĩnh của hồ quang:

Để giảm được U mồi mà vẫn gây

được hồ quang người ta cho hai điện

cực tiếp xúc nhau gây ra I đoãn mạch

Nếu I đoãn mạch đủ lớn sẻ nung kim

loại chổ tiếp xúc nóng chảy

Hàn điện hồ quang là dùng nhiệt lượng của hồ quang điện nung nóng chổ hàn làm cho kim loại vật hàn chảy và kim loại bổ sung chảy để nối hai vật lại Khi hàn: Cho que hàn chạm vào vật hàn 0.1 s xong đưa lên cao 3-4 mm

Do tác dụng của điện trở nên đầu nút que hàn và chổ vật hàn tiếp xúc với que hàn bị nung nóng Khi nhấc que hàn lên khỏi vật hàn que hàn bắn ra điện tử, các điện tử bắn nhanh đập vào vật hàn biến động năng thành nhiệt năng dẫn đến vật hàn bị chảy Môi trường giữa que hàn và vật hàn chịu tác dụng của điện trường bị ion hóa, các ion dười đi lên rất nhanh biến động năng thành nhiệt năng dẫn đến que hàn nóng chảy và nhỏ giọt xuống vật hàn

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)

Với sự phát triển của kĩ thuật bán dẫn công suất lớn đã đưa ra nhiều ứng dụng trong nguồn hàn một chiều Nguồn hàn một chiều dùng bộ chỉnh lưu có những ưu việt sau đây so với máy phát hàn một chiều:

+ Chỉ tiêu năng lượng cao

+ Không có phần quay

+ 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 vói điện cực là:

Kim loại : U0min = (30 - 40) V

- Nguồn hàn phải có công suất lớn.

- Nguồn hàn phải có khả năng điều chỉnh được dòng hàn; vì như ta đã biết dòng điện hàn phụ thuộc vào đường kính que hàn Dòng điện hàn được tính theo biểu thức sau:

I

Nguồn hàn dùng cho phương pháp hàn hồ quang tự động phải có đường đặc tính ngoài cứng

CHƯƠNG II: CÁC PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

Có rất nhiều phương án lựa chọn để thiết kế bộ chỉnh lưu cho nguồn hàn 3 pha.ở đây ta xét các phương án sau:

- Chỉnh lưu tia 3 pha có điều khiển

- Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển không đối xứng

- chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển

2 Sơ đồ hình tia 3 pha:

U d 6 U Sind U2Cos U d0Cos

U U

i

3 2

1 2

6

2 6

5

6

2 2

I

- Dòng điện thứ cấp máy biến áp :

d I i

d i

3

2 2

2

2 2 2

6

2 2

- Điện áp chỉnh lưu nhận được: ( 1 ) 1 , 17 ( 1 )

2

6 3

Điện áp ngược đặt lên van: U ngmax  6U2  2 , 45U2

- Dòng điện tải trung bình:

I

- Dòng điện thứ cấp máy biến áp :

d I i

d i

3

2 2

2

2 2 2

6

2 2

b.Công thức tính toán:

30

6 5 4 3 2

1 Sơ đồ hình tia 3 pha:

Thường được lựa chọn khi công suất tải không quá lớn so với biến áp nguồn cấp ( tránh gây mất đối xứng cho nguồn lưới) và tải không có yêu cầu quá cao về chất lượng điện áp một chiều

Loại này cần có biến áp nguồn để có điểm trung tính đưa ra tải Công suất máy biến áp lớn hơn công suất một chiều 1,35 lần nhưng sụt áp trên van nhỏ nên thích hợp với phạm vi điện áp thấp Vì sử dụng nguồn 3 pha nên cho phépnâng công suất tải lên nhiều, độ đập mạch điện áp sau chỉnh lưu giảm cho nên giảm kích thước cuộn kháng lọc

2 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 máy biến áp xấp xĩ công suất trên tải chứng tỏ thành phần sóng điều hoà bậc cao trong sơ đồ cầu là không đáng kể Chất lượng điện áp một chiều khá tốt điều này làm giảm điện kháng bộ lọc dẫn đến giảm kích thước bộ lọc.Mặt khác vì chỉ cần điều khiển 1 nhóm tiristo T1,T3,T5 nên chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển đơn giản hơn điều khiển sơ đồ có điều khiển

3.Sơ đồ cầu 3 pha có điều khiển:

Số xung đập mạch trong 1 chu kỳ lớn m = 6 ( làm giảm kích thước cuộn kháng hạn chế dòng điện đập mạch ở sau khối chỉnh lưu) nên chất lượng điện

áp tốt hơn

Sơ đồ này có hệ số sử dụng biến áp rất cao,công suất MBA gần bằng công suất tải.Và trong MBA không có hiện tượng từ hoá cưỡng bức vì dòng điện chạy trong cuộn dây thứ cấp là xoay chiều,nên tổng ampe vòng của thành phần 1 chiều gây nên trên mỗi trụ biến áp bằng không

Vì vậy ta chọn mạch chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển là thích hợp nhất.

Chương III

Thiết kế tính toán mạch lực

I.Thiết kế mạch lực:

II Thiết kế máy biến áp:

1 Các thông số cơ bản của máy biến áp:

r c

T 6

2c c

r c 2c c T 2

l

r c2c c

) ( 34 99 , 33 30 654 , 1

7 , 48

30 654

, 1 7 , 48

0 2

0 2

V Cos

U

Cos U

Q

50 3

- Số vòng dây sơ cấp: 118 , 75

2 , 3

380 2 , 3

34 2 , 3

97

- Điện áp chỉnh lưu không tải : U d0  48 , 7 (V)

- Điện áp ngược lớn nhất mà van phải chịu:

G

057 ,

Ta có giá trị điện cảm:

2 , 85 1 6 , 81 10 ( ) 0 , 0681 ( )

50 2 3

027 , 0 1

5 2

2

mH H

k w

Vậy : Điện cảm yêu cầu của cuộn kháng lọc : L 0 , 068 (mH)

Dòng định mức chạy qua cuộn kháng: Idm=1500 (A)

Biên độ dòng xoay chiều bậc 1: I1m=10%Idm=150 (A)

Do dòng điện cuộn kháng lớn và điện trở bé do đó ta có thể coi tổng trở cuộn kháng xấp xĩ điện kháng:

I Z

 = 21,35.10-3

2 150

= 2,265 (V)

Chương IV:

Tính toán mạch điều khiển

I-Nguyên tắc điều khiển:

Hình dưới là sơ đồ cấu trúc và đồ thị minh hoạ ở đây khâu UT tạo ra điện áp tựa có dạng cố định (thường có dạng răng cưa, đôi khi hình sin) theo chu kỳ

do nhịp đồng bộ của UĐB Khâu so sánh SS xác định thời điểm cân bằng của 2 điện áp UT và UĐK để phát động khâu tạo xung TX Như vậy trong nguyên tắc này thời điểm phát xung mở van hay góc điều khiển thay đổi do sự thay đổi trị

số của UĐK, trên đồ thị đó là sự di chuyển theo chiều dọc của trục biên độ Đa

khiển thực

nguyên tắcnày

II Thiết kế mạch điều khiển:

1 Thuyết minh:

Khi cấp nguồn vào sơ cấp của biến áp đồng pha, phía thứ cấp của biến ápđược hạ áp Sau khi qua mạch chỉnh lưu có điểm trung tính điện áp U1 là điện

áp một chiều nửa hình sin

Điện áp một chiều nửa hình sin tại U1 được đưa vào cực (+) của OA1 so sánh với điện áp phẳng U được đặt vào cực (-) của OA1 do E1, VR1 và R2 tạo

ra Kết quả ta được tín hiệu đầu ra U2 của OA1 có dạng xung vuông đồng bộ với lưới

Điện áp dạng xung vuông sau khi được tạo ra ở khâu đồng bộ trước đó được đưa vào khâu tạo điện áp răng cưa Khi U2 có giá trị âm, diode D3 mở, tụ

C1 được nạp theo chiều từ U3 qua tụ C1 qua R3 qua diode D3 về U2.Khi U2 có giá trị dương,transistor T mở diode D3 khoá lúc này tụ C1 phóng từ + C1 qua transistor T về – C1 Kết quả ta được U3 có dạng điện áp răng cưa

Điện áp điều khiển được lấy từ điện áp phản hồi trên điện trở Shunt đượckhuyếch đại lên để có độ lớn thích hợp, sau khi qua khâu khuyếch đại đảo và khâu PI lọc sai số động ta được Uđk có dạng đường thẳng

Điện áp răng cưa U3 được đưa vào cửa (-) của OA3 và so sánh với điện ápđiều khiển Uđk được đưa vào cửa (+) Khi U3 > Uđk thì điện áp đầu ra của 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 có tác dụng tạo ra chùm xung dưới sự phóng nạp của tụ C2 D9 có tác dụng loại bỏ xung âm Do đó tín hiệu điện áp U6 có dạng xung chùm dương

Điện áp U4 được chộn với xung chùm U6 bởi IC4081 rồi được đưa qua tầng khuyếch đại do tín hiệu xung vẫn chưa đủ lớn để kích mở thyristor

Tằng khuyếch đại gồm các transisto mắc theo kiểu dalington Xung dương được đặt vào bazơ của TR1 làm TR1 mở đồng thời TR2 mở theo khi đó

có xung đi vào biến áp xung Trên cuộn thứ cấp của biến áp xung có xung để kích mở tiristo Khi điện áp trên biến áp xung giảm đột ngột, cuộn dây của

biến áp xung xuất hiện sức điện động cảm ứng ngược dấu lúc đó điốt D4 và D7

có tác dụng trả ngược điện áp dập tắt sức điện động để bảo vệ các transistor

2

VR R

E R

U     ~

-   E +   E

+ E 1

R 1

+ -



1 1

1 2

52 , 10 48 , 1 12 48 , 1 48

,

1

VR VR

Để điện trở đầu vào của OA1 là lớn ta chọn điện trở R có giá trị là 100(k)

2 Khâu tạo điện áp răng cưa:

Tính toán

Chu kì của điện áp lưới là: 0 , 02 ( ) 20 ( )

50

1 1

ms s

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  = 50 tức là t n = 100  t p = 1800 - 100 = 1700

Tương ứng với thời gian là: t p = x 9 , 4ms

180

10 170

0

'' 0



t n = x 0 , 6ms

180

10 10

0

'' 0



Chọn giá trị của tụ C 1 = 0,2F

Gọi dòng địên trong quá trình nạp là I n Sau khoảng thời gian t = t n =

9

1

3

6 , 0 0

0    t

R C

U dt i C

c C

+   E + E 2

U 2

U 3

+

-1 2

R 4

C 1

D Z

-   E

10 6 , 0 10

3

3 t C

U

Chọn R 3 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:

U cp = I dt

C U

tlp p

0 0

1

t

C U I

p

C p

4 3

6

0 1 , 9 10

10 4 , 9

10 2 , 0 9

2

R VR

2 63 , 15 10

10 9 , 1

12

p I

E R VR

-1 2

-1 2

3

5 Khâu trộn xung:

Khâu trộn xung sử dụng IC các cổng AND có 3 đầu vào với các thông số: Nguồn nuôi IC : Vcc = 315 (V), ta chọn: Vcc = 12 (V)

Nhiệt độ làm việc : - 40o C  80o CĐiện áp ứng với mức logic “1”: 2.54,5 (V)

Dòng điện nhỏ hơn: 1 mA Bảng chân lí của cổng AND:

0 0 0

6 Khâu phản hồi:

Nguyên lý hoạt động

của khâu phản hồi :

LẤy điỆn áp phẢn hỒi tỪ nguỒn hàn thông qua điỆn trỞ Shunt, vì điỆn

áp này nhỎ nên ta cho qua bỘ khuẾch đại để được điỆn áp thích hỢp Tiếp

theo điện áp phản hồi được đưa vào bộ cộng (đảo) với điện áp mà ta đặt cho

nguồn hàn làm việc

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

Công suất cấp cho các khối là rất nhỏ, thông thường ta chọn thông số

của các biến áp của các khối như sau:

+

-1 2

-1 2

-1 2

1 2 1

mm J

10

2 2 2

12

3 2 3

mm J

I

Chọn dây chuẩn có thiết diện dây là: Q2 2=0,05726tương ứng với

đường kính d2 2=0,27mm

 Tính toán phía sơ cấp biến áp

Dòng điện sơ cấp trong máy biến áp là:

220

6 , 22

 Tính toán khâu chỉnh lưu và ổn áp:

Tạo nguồn nuôi E=12 V

Ta dùng mạch chỉnh lưu cầu 1 pha dùng diode, điện áp thứ cấp máy

biến áp nguồn nuôi: U 2 =17 V

Để ổn định điện áp ra của nguồn nuôi ta dùng 2 IC ổn áp 7812 và 7912,

các thông số chung của vi mạch này:

Điện áp đầu vào : UV = 735 (V)

Điện áp đầu ra : Ura = 12(V) với IC 7812

Ura = -12(V) với IC 7912Dòng điện đầu ra: Ira = 01 (A)

Tụ điện C 4 , C 5 dùng để lọc thành phần sóng hài bậc cao

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 =13 làtốt nhất

ở đây ta chọn m = 2

Vậy giá trị dòng sơ cấp của BAX

2 1

300

150 ( ) 2

23 11,5 2

W W m

   (vòng)Giá trị trung bình ở sơ cấp và thứ cấp BAX

2.10 350.10

2.10

x tb

x tb

t

T t

1

2 2

5 10

14      

I

U E R

SCBA SCBAX cs

Chọn TR2 loại H1061 với các thông số:

2

0,15

0,015( ) 15( ) 10

ECT BT

Sơ đồ nguyên lí mạch điều khiển :

Sơ đồ điện áp:

Kết luận

Sau một quá trình học tập và nghiên cứu, cùng với sự hướng dẫn tận

tình của các thầy cô giáo trong bộ môn đặc biệt là thầy Tạ Duy Hà và sự

giúp đỡ của các bạn cùng nhóm, em đã hoàn thành các nhiệm vụ được giaocủa bản đồ án : Thiết kế bộ chỉnh lưu hàn hồ quang một chiều

Trong quá trình thực hiện, do trình độ còn hạn chế nên chắc chắn em không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo và các bạn để bản đồ án này được hoànthiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 8tháng 4 năm 2010

Sinh viên:

Kiều trớ Dũng

Tài liệu tham khảo :

1 Điện tử công suất – Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh

Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật

2 Điện tử công suất – Nguyễn Bính

Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật

3 Giáo trình điện tử công suất – Trần Trọng Minh

Nhà xuất bản giáo dục

4 Bài giảng hướng dẫn thiết kế mạch điện tử công suất - Phạm Quốc Hải

5 Thiết kế máy biến áp – Phạm Văn Bình, Lê Văn Doanh

Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật