Thiết kế bộ điều khiển chỉnh lưu cho máy hàn một chiều

THIẾT KẾ MÔN HỌC
MÔN: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Đề bài: Đề số 09:
Thiết kế bộ điều khiển chỉnh lưu cho máy hàn một chiều
Yêu cầu công nghệ Thông số thiết kế
Thiết kế bộ chỉnh lưu có điều khiển _U
vào
=380V
_I
đm
=250V
_U
max
=60V
Hải phòng 10/2012
1
1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ HÀN MỘT CHIỀU.
1.1: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.
1.2: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.
1.3: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(10
2
đến 10

3
A/mm
2
). 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…
I
h
A
B
C
D
h
U
2
2
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 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 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.
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).
3
3
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 với điện cực là:
Kim loại : u
0min
= (30 - 40) v
Than : u
0min

= (45 - 55) v
- 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.

4,12,1 ÷==
dm
nm
I
I
I
λ
Trong đó:
I
λ
-Bội số dòng điện ngắn mạch

nm
I
- Dòng điện ngắn mạch [a]
- Nguồn hàn phải có công suất lớn.
4
4
- 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:

DI
h
)6040( ÷=

Trong đó :
h
I
- Dòng điện hàn [A]
D - Đường kính que hàn [mm].
- Đường đặc tính ngoài của nguồn hàn phải đáp ứng theo từng phương
pháp hàn.
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
1
2
3
4
U
I
Hàn:
1: Đặc tính dốc
2: Đặc tính thoải
3: Đặc tính cứng
5
5
4:Đặc tính tăng
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.
CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH CÔNG SUẤT.
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.
2.1: Các phương án thiết kế.
2.1.1: Chỉnh lưu ti aba pha có điều khiển.
. Sơ đồ đồ thị:
6
6
. Công thức tính toán:
- Điện áp chỉnh lưu nhận được

ααθθ
α
α
CosUCosUdSinUU
dd 02
6
5
6
2
2
63
2
2
3
=
Π
=
Π
=

∫
+
Π
+
Π
với
220
17,1
2
63
UUU
d
=
Π
=
- Điện áp ngược đặt lên van:

22max
45,26 UUU
ng
==
- Dòng điện tải trung bình:
d
d
d
R
U
I =
- Dòng điện trung bình qua van:
3

d
v
I
I =
7
7
- Dòng điện thứ cấp máy biến áp :

d
d
d
I
I
dIdiI 58,0
3
2
1
2
1
6
5
6
2
6
5
6
2
22
==
Π

=
Π
=
∫∫
+
Π
+
Π
+
Π
+
Π
α
α
α
α
θθ
- Công suất máy biến áp :

d
P
IUIU
S 35,1
2
33
2211
=
+
=
2.1.2: Chỉnh lưu cầu bap ha có điều khiển không đối xưng.

. Sơ đồ và đồ thị:
8
8
. Công thức tính toán.
- Điện áp chỉnh lưu nhận được:

)1(17,1)1(
2
63
22
αα
CosUCosUU
d
+=+
Π
=
- Điện áp ngược đặt lên van:
9
9

22max
45,26 UUU
ng
==
- Dòng điện tải trung bình:

d
d
d
R

U
I =
- Dòng điện trung bình qua van:

3
d
v
I
I =
- Dòng điện thứ cấp máy biến áp:
d
IidiI 816,0
3
2
2
3
6
5
2
2
2
2
6
2
22
=
Π
+
Π
=

∫∫
+
Π
Π
Π
+
Π
α
α
θ
- Công suất máy biến áp:

d
P
IUIU
S 05,1
2
33
2211
=
+
=
- Điện áp chỉnh lưu nhận được:

)1(17,1)1(
2
63
22
αα
CosUCosUU

d
+=+
Π
=

- Điện áp ngược đặt lên van:

22max
45,26 UUU
ng
==
10
10
- Dòng điện tải trung bình:
d
d
d
R
U
I =
- Dòng điện trung bình qua van:
3
d
v
I
I =
- Dòng điện thứ cấp máy biến áp:
d
IidiI 816,0
3

2
2
3
6
5
2
2
2
2
6
2
22
=
Π
+
Π
=
∫∫
+
Π
Π
Π
+
Π
α
α
θ
- Công suất máy biến áp :
2.1.3: Chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển.
11

11
. Sơ đồ và đồ thị:
12
12
.Công thức tính toán:
30
654321
o
======
αααααα
NẾU
60
o
≤
α

αα
α
COSCOS
UUU
dd 20
34,2==
13
13
3
I
I
d
tbv
=

UU
ngV 2max
54,2
=
P
S
d
ba
max
05,1=
(Khi góc mở bằng 0)
. Nhận xét chung:
. 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
phép nâng công suất tải lên nhiều, độ đập mạch điện áp sau chỉnh lưu giảm
cho nên 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 máy biến áp xấp xỉ 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
14
14
kích thước bộ lọc.mặt khác vì chỉ cần điều khiển 1 nhóm tiristo t

1
,t
3
,t
5
nên
chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển đơn giản hơn điều khiển sơ đồ có điều
khiển.
.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.
15
15
16
16
a
b c
r
c
T
4
2c c
1c c

1c c
r
c
T
6
2c c
r
c
2c c
2
T
l
r
c
2c c
t
1
r
t
3
2c c
r
c
t
5
2c c
vËt hµn
r
s
u

phd
1c c
S¬ ®å m¹ch lùc
CD
at
2.2:Thiết kế mạch lực:
17
17
2.3: Thiết kế máy biến áp.
2.3.1: Các thông số cơ bản của máy biến áp.
- Điện áp sơ cấp: u
1
=3 x 380 (V)
- Điện áp pha thứ cấp:
Phương trình cân bằng điện áp khi có tải:

∑
∆+=
UUU
dd 0

Trong đó :
baLV
UUUU ∆+∆+∆=∆
∑
Sụt áp trên van:
)(2,36,1.2 VU
V
==∆
Sụt áp trên cuộn kháng lọc:

)(5,3 VU
L
=∆
Sụt áp trên máy biến áp :
)(360.05,0%5 VUU
dba
===∆

)(7,6935,32,360
0
VU
d
=+++=⇒
- Công suất máy biến áp:

)(43,21250.7,69.23,1 KVAPkS
dsdba
===

(Với ksd:hệ số công suất theo sơ đồ mạch động lực.)
- Với sơ đồ cầu 3 pha có điều khiển ta có:
18
18

α
CosUU
d 20
33
Π
=

LẤY
0
30
=
α

)(66,48
30654,1
7,69
30654,17,69
0
2
0
2
V
Cos
U
CosU
≈=⇒
=⇒
- Điện áp pha thứ cấp máy biến áp :

)(66,48
2
VU
=
- Dòng hiệu dụng thứ cấp máy biến áp :

)(5,27711,1.25011,1
2

AII
d
===
- Dòng sơ cấp máy biến áp :
- I
1
= I
2
.K
BA
=
I
u
u
2
1
2
=
5,277
380
66,48
= 35,53(A)
Chọn mạch từ 3 trụ, tiết diện mỗi trụ :

mf
S
kQ
ba
QFe
=

)(95,11
50.3
21430
6
2
cmQ
Fe
==⇒

Q
k
: Hệ số phụ thuộc phương thức làm mát, lấy
6
=
Q
k
(máy biến áp khô)
M: số trụ của máy biến áp
19
19
- Số vòng vôn:
26,010.95,11.50.44,4 44,4
4
==
−
BQf
(vôn/vòng)
- Số vòng dây sơ cấp:
5,1461

26,0
380
26,0
1
1
===
U
W
vòng ; chọn w
1
= 1465 vòng
- Số vòng dây thứ cấp:
1,187
26,0
66,48
26,0
2
2
===
U
W
vòng; chọn w
2
=190 vòng
- Chọn mật độ dòng điện :
2
21
/5,2 mmAJJ ==
- Tiết diện dây dẫn sơ cấp:
)(2,14

5,2
53,35
2
1
1
1
mm
J
I
Q ===
- Tiết diện dây dẫn thứ cấp:
)(111
5,2
5,277
2
2
2
2
mm
J
I
Q ===
2.3.2: Tính chọn van động lực.
. Các thông số để chọn van:
- Điện áp chỉnh lưu không tải :
)(7,69
0
VU
d
=

- Điện áp ngược lớn nhất mà van phải chịu:

uku
NVLV 2
.=
=
6
.48,66 = 119,2 (v)

⇒
uk
LVdtU
ng
U .
max
=
=1,6 . 119,2 = 191 (v); (chọn hệ số dự trữ k
dtu
= 1,6.)
20
20
Dòng điện làm việc của van: i
tbvan
=
3
d
I
= 250/3 =83 (A)
Chọn chế độ làm mát cho van là làm mát bằng quạt gió.
Chọn hệ số dự trữ dòng điện : K

DTI
= 2
Van phải chịu được : i
v
= k
dti
. I
TBVAN
= 2.83 = 166 (A)
. Chọn van:
- 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
400 ( )
2200 ( )
ng
U V
I A
=
=
0,3 ( )
G
I A
=
3 ( )
G
U V
=
1.3 ( )U V

∆ =

15500 ( )
300 ( / )
pik
I A
dU
V s
dt
=
=

Ct
00
max
125
=

2.3.3: Tính cuộn kháng lọc
21
21
Với yêu cầu của điện áp hàn có K
đm
= 0,02
Hệ số san bằng của mạch lọc : K
sb
= K
đmv
/K
đmr

với sơ đồ cầu 3 pha điều khiển đối xứng ta có: K
đmr
= 0,057

⇒
K
sb
= K
đmv
/K
đmr
=
85,2
02,0
057,0
=
Tải có điện trở tương đương:
)(24,0
250
60
Ω===
d
d
d
I
U
R
⇒
ta có giá trị điện cảm:

)(27,1)(10.27,1185,2
50 2.3
24,0
1
.
32
2
mHHk
wm
R
L
sb
dm
d
==−
Π
=−=
−
Vậy : Điện cảm yêu cầu của cuộn kháng lọc :
)(27,1 mHL
=
Dòng định mức chạy qua cuộn kháng: I
dm
=250 (a)
Biên độ dòng xoay chiều bậc 1: I
1m
=10%I
dm
=25 (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:
z
l

≈
x
l
= wL = 2.
π
.f.1,27.10
-3
= 398,98.10
-3

)(
Ω
Điện áp rơi trên cuộn kháng lọc:
2
.
1m
LL
I
ZU
=∆
= 398,98.10
-3
.
2
25
= 42,3(v)

22
22
CHƯƠNG III:THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN.
3.1.Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển.
Hình dưới là sơ đồ cấu trúc và đồ thị minh hoạ. Ở đây khâu U
T
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 U
ĐB
. Khâu so sánh “SS” xác định thời điểm cân bằng
của 2 điện áp U
T
và U
ĐK
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 U
ĐK
, trên đồ thị đó là sự di chuyển theo chiều dọc của
trục biên độ. Đa số mạch điều khiển thực tế sử dụng nguyên tắc này
23
23
3.2.Thiết kế mạch điều khiển.
• Thuyết minh:
Khi cấp nguồn vào sơ cấp của biến áp đồng pha, phía thứ cấp của biến
áp được hạ áp. Sau khi qua mạch chỉnh lưu có điểm trung tính điện áp U
1
là
điện áp một chiều nửa hình sin.

Điện áp một chiều nửa hình sin tại U
1
được đưa vào cực (+) của OA
1
so
sánh với điện áp phẳng U được đặt vào cực (-) của OA
1
do E
1
, VR
1
và R
2
tạo
ra. Kết quả ta được tín hiệu đầu ra U
2
của OA
1
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 U
2
có giá trị âm, diode D
3
mở,
tụ C
1
được nạp theo chiều từ U
3

qua tụ C
1
qua R
3
qua diode D
3
về U
2
.Khi U
2

có giá trị dương,diode D
3
khoá lúc này tụ C
1
phóng từ + C
1
qua DZ về –
C
1
.kết quả ta được u
3
có dạng điện áp răng cưa.
Điện áp điều khiển được lấy từ điện áp phản hồi trên điện trở shunt
được khuyếch đại lên để có độ lớn thích hợp, sau khi qua khâu khuyếch đại
đảo và khâu PI lọc sai số động ta được U
ĐK
có dạng đường thẳng.
Điện áp răng cưa U
3

được đưa vào cửa (-) của OA
3
và so sánh với điện
áp điều khiển U
ĐK
được đưa vào cửa (+). Khi U
3
> U
ĐK
thì điện áp đầu ra của
OA
3
là U
4
có giá trị âm. Ngược lại, khi U
3
< U
ĐK
thì điện áp đầu ra U
4
có giá
trị dương. Kết quả ta được U
4
có dạng xung vuông.
24
24
Khâu phát xung chùm có tác dụng tạo ra chùm xung dưới sự phóng nạp
của tụ C
2
. D

9
có tác dụng loại bỏ xung âm. Do đó tín hiệu điện áp U
6
có dạng
xung chùm dương.
Điện áp U
4
được chộn với xung chùm U
6
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 TR
1
làm TR
1
mở đồng thời TR
2
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 D
4
và
D
7
có tác dụng trả ngược điện áp dập tắt sức điện động để bảo vệ các
Transistor khỏi bị quá áp.
3.1: Tính toán các khâu trong mạch điều
khiển:

3.3.1.Tính toán khâu đồng bộ:
25
U 2
.
U ~
- E
+ E
+ E 1
R 1
+
-
3
2
1
84
T R F
1 5
4 8
D 1
1 4 1
D 2
1 4 1
R
V R 1
1 3
2
R 2
U 1
25