giáo trình hàn hồ quang điện

Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hng Lớp TĐH2 K46
Chơng 2 : Thiết kế mạch lực
I Sơ đồ và nguyên lý hoạt động:
1. Sơ đồ

2. Nguyên lý hoạt động
Để cung cấp nguồn điện cho hàn hồ quang, ta sử dụng sơ đồ chỉnh lu một pha hai
nửa chu kì có điểm giữa.
II. Tính toán các thông số cơ bản của mạch:
Theo đề ra ta có các thông số :
+) Nguồn điện xoay chiều: 380 V, 50 Hz
+) Điện áp hở mạch: U
hh
= 60 (V)
+) Dòng điện cực đại: I
max
= 600 (A) ( = 240)
a) Điện áp:
- Điện áp chỉnh lu không tải (hở mạch) sẽ là:
U
d
= U
do
. Cos
o
= U
ho
+ U
ba
+ U
v

+ U
dây
Trong đó: U
v
: sụt áp trên van = 1,5 V
U
dây
: sụt áp trên dây dẫn = 0
U
ba
=U
r
+ U
x
: sụt áp trên điện trở và điện kháng máy biến áp
= 4% + 1,5% = 5,5%

o
: là góc mở của thyristor khi hở mạch, ta chọn
o
= 60
o
Thay các thông số ta đợc :
U
do
.cos
o
= 60. 1,055 + 1,5 = 64,8 (V)
U
do

= 2. 64,8 = 129,6 (V)
- Điện áp thứ cấp MBA:
U
2
=
22.
.U

do
= 144 (V)
- Tỷ số MBA:
m =
1
2
U
U
=
380
144
= 0,38
- Điện áp ngợc lớn nhất mà mỗi Thyristor phải chịu:
U
m
= 2
2
U
2
= 407,3 (V)
- 1 -
Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hng Lớp TĐH2 K46

b) Dòng điện:
- Trị trung bình cực đại dòng điện chảy trong mỗi Thyristor :
I
tbmax
=
2
maxd
I
=
2
600
= 300 (A) (120A)
- Trị hiệu dụng cực đại chảy qua thứ cấp MBA:
I
2max
=
2
maxd
I
=
2
600
= 424 (A) XXX ( 240/1.41 =170)
- Trị hiệu dụng cực đại chảy qua sơ cấp MBA:
I
1max
= m.I
2max
= 0,38.424 = 161 (A) (0,38. 170 = 65A)
III. Chọn Thyristor :

Tính toán ở trên có : U
ngmax
= 407,3 (V)
I
tbmax
= 300 (A) 120A
- Chọn điều kiện làm việc của van là tốt với cánh toả nhiệt và quạt đối lu không
khí. Trong điều kiện đó có :
Hệ số dự trữ điện áp k
u
= 1,6
Hệ số dự trữ về dòng điện k
i
= 1,2
- Do vậy phải chọn Thyristor ít nhất chịu đợc
U
ng
= 1,6 . 407,3 = 652 (V)
I
tb
= 1,2 . 300 = 360 (A) (1,2. 120 =144A)
- Tra bảng ta chọn đợc Thyristor SC150C80 với các thông số sau:
Điện áp ngợc cực đại của van : U
ngmax
= 800 V
Dòng điện định mức của van : I
đm
= 150 A
Điện áp xung điều khiển : U
g=

= 3 V
Dòng điện của xung đièu khiển : I
g
= 0,1 A
Dòng điện rò : I
rò
= 15 mA
Sụt áp trên Thyristor : U
T
= 1,6 V
Tốc độ biến thiên điện áp:
=
dt
du
200 V/s
Tốc độ biến thiên dòng điện:
=
dt
di
180 A/às
Thời gian chuyển mạch : t
cm
= 80 às
Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép : T
cp
=
IV. Thiết kế máy biến áp:
U
1
= 380 (V) I

1
= 161 (A) 65
U
2
= 144 (V) I
2
= 424 (A) 170
- Công suất biểu kiến máy biến áp phía thứ cấp :
S
2
= U
2
. I
2
= 144.424 = 61056 (VA) 144.170 = 24480
- Công suất biểu kiến máy biến áp phía sơ cấp :
S
1
= U
1
. I
1
=380 . 161 = 61180 (VA) 380.65 =24700
Công suất biểu kiến máy biến áp :

61118
2
6118061056
2
21

=
+
=
+
=
SS
S
24590
- 2 -
Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hng Lớp TĐH2 K46
Ta chọn MBA 1 pha, 1 trụ dạng , làm mát bằng không khí. Đây là máy biến
áp có điểm giữa do vậy có 1 cuộn sơ cấp và hai cuộn thứ cấp.
a) Tiết diện trụ của lõi thép MBA:
Tiết diện trụ đợc tính theo công thức kinh nghiệm:
Q
Fe
=
cf
S
k
[cm
2
]
Trong đó:
+) k = hệ số phụ thuộc phơng thức làm mát, lấy k = 6
+) c : số trụ của MBA ( 3 pha: c=3; 1pha c = 1)
+) f = 50 Hz tần số nguồn điện xoay chiều.
Q
Fe
=

50
61118
6
= 210 [cm
2
] 24590/50 căn 22,176
b) Tính toán dây quấn:
- Chọn vật liệu là các lá tôn Silic dày 0,5 mm , tổn thất 1,3 W/kg , trọng
lợng riêng 7,5 kg/dm
3
.
Chọn mật độ từ cảm trong trụ B = 1,1 T
-Số vòng dây mỗi cuộn tính theo công thức:

BQf
U
W
Fe
44,4
=
=
1,1.021,0.50.44,4
U
= 0,195.U / 0.0022 =1,8 U
U: điện áp rơi trên cuộn dây
Số vòng dây sơ cấp: W
1
= 0,195. 380 = 74 = 702 vòng
Số vòng dây thứ cấp ( hai cuộn ) : W
2

= 0,195. 144 . 2 = 56 = 518 vòng
- Tiết diện dây:

J
I
S
Cu
=
(mm
2
)
trong đó: I - dòng diện chạy qua cuộn dây
J - mật độ dòng điện 2-3 A/mm
2
, tuỳ theo chất lợng dây
lấy J = 3
Tiết diện dây sơ cấp :
54
3
161
1
1
===
J
I
S
Cu
(mm
2
) 65/3 =22 mm2

Tiết diện dây thứ cấp :
141
3
424
2
2
===
J
I
S
Cu
(mm
2
) 170/ 3 =56,5 mm2
c) Tính kích thớc mạch từ:
- Chọn trụ có hình chữ nhật :
Q
Fe
= a.b
- Diện tích cửa sổ của mạch từ:
Q
cs
= t.h = k
ld
.(W
1
.S
Cu1
+ W
2

.S
Cu2
)
( k
ld
: hệ số lấp đầy = 2 ữ3)
Q
cs
= 2. ( 74.54 + 28.141) = 15888 mm
2
160 [cm
2
] 89422mm = 894 cm2
- Các hệ số phụ:
- 3 -
Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hng Lớp TĐH2 K46
m =
a
h
= 2,3 ;
n =
a
c
= 0,5 ; l =
a
b
= 1,5
Q
Fe
= 1,5.a

2
a = 12 (cm)
b = 18 c = 6;
h = 30 t = 7 (cm)
d) Kết cấu dây quấn :
-Dây quấn đợc bố trí theo chiều dọc trụ với mỗi cuộn dây đợc cuốn thành nhiều
lớp dây, mỗi lớp dây cách điện với nhau bằng bìa cách điện.
- Tiết diện dây rất lớn, ta chọn tiết diện dây hình chữ nhật .
- Số vòng trên mỗi lớp:
W
L
=
br
hh
cd


h
cd
: khoảng cách cách điện, lấy h
cd
= 5 mm
b
r
: bề rộng bánh dây
W
L1
= 40 với br = 7 mm , bn = 20 mm quấn 2 lớp
W
L2

= 90 với br = 3 mm , bn = 18 quấn 1 lớp
- Tổng bề dày các cuộn dây:
bd = 20.2 + 18 + 4.1 = 62 (mm) < t thoả mãn
V. Lọc
1. Tính toán L,C:
- Điện áp đầu ra của bộ chỉnh lu đợc triển khai ở dạng Fourier. Các sóng hài bậc
cao có biên độ rất nhỏ nên ta có thể dừng lại ở 2 số hạng đầu. Với chỉnh lu 1 pha cả
chu kỳ có điểm giữa:
u
d
=
tU
U


2cos2
3
422
2
2
+
khi đó LC sẽ đợc tính theo công thức:

LC
kn
A
LC
22

=

trong đó: A = 0,425 n = 2
k
LC
= tỷ số nhấp nhô
k
LC
=
2
.2 U
U
= 0,01
6
2
10.8,107
01,0.314.4
425,0

==LC
- 4 -
Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hng Lớp TĐH2 K46
- Chọn C = 10000 àF L = 10,76 (mH)
2. Thiết kế cuộn L:
Cuộn kháng cho dòng điện lớn đi qua nên tiết diện dây dẫn lớn, vì vậy điện trở
thuần của cuộn kháng nhỏ có thể bỏ qua.
Z
CK
= X
CK
= 2

fmL = 314.2.10,76.10
-3
= 6,78

Biên độ sóng hài dòng điện bậc 1 qua cuộn kháng:
I
m
=
A
Lm
UA
56,13
10.76,10.314.2
144.2.45,02
3
2
==


Điện áp xoay chiều rơi trên cuộn kháng lọc:
U
CK
= Z
CK
.
2
m
I
= 65 V

Công suất của cuộn kháng lọc:
S
CK
= U
CK
.
2
m
I
= 623 VA
- Chọn lõi thép hình chữ . Tiết diện trụ:
Q = k
mf
S
=
50.2
623
5
= 12,5 cm
2
- Chọn mật độ từ cảm trong trụ là B = 1T. Số vòng dây trên cuộn kháng:
W =
4
10.5,12.1.50.2.44,4
65
44,4

=
QBfm
U

CK
= 117 vòng
- Dòng điện chạy qua cuộn kháng:
1,600
2
2
2
=+=
m
dk
I
II
- chọn mật độ dòng điện J = 3 A/mm
2
tiết diện dây : S
CK
= 200 mm
2
d = 15 mm
VI.Thiết kế các thiết bị bảo vệ:
1. Bảo vệ quá nhiệt độ cho van:
-Khi làm việc với dòng điện chạy qua trên van có sụt áp, do đó có tổn hao công
suất sinh nhiệt đốt nóng van. Mặt ghép là nơi bị đốt nóng nhiều nhất.
Van bán dẫn chỉ đợc phép làm việc ở nhiệt độ cho phép nào đó tuỳ thuộc loại van. Đối
với bán dẫn Ge: T
cp
= 80 ữ 100 ; Si: T
cp
= 150ữ200 .
- Việc làm mát có ảnh hởng lớn tới dòng làm việc cho phép của van. Với dòng khá

lớn:
Không có toả nhiệt : I
lv
< 10%I
dm
Toả nhiệt bằng cánh toả nhiệt đồng, nhôm : I
lv
< 40%I
dm
Toả nhiệt bẳng cánh và quạt thổi gió : I
lv
< 70%I
dm
Làm mát bằng nớc I
lv
< 90%I
dm
- Do vậy để van bán dẫn làm việc an toàn, hiệu suất cao, không bị chọc thủng về
nhiệt ta phải chọn và thiết kế hệ thống toả nhiệt hợp lý.
- Tổn thất công suất trên 1 Thyristor là:
- 5 -
Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hng Lớp TĐH2 K46
P = U.I
v
= 1,5.424 =636 (W)
- Công suất toả nhiệt này lớn do vậy cần làm mát bằng cánh toả nhiệt và quạt gió.
2. Bảo vệ quá điện áp cho van:
Bảo vệ quá điện áp do quá trình đóng
cắt Thyistor đợc thực hiện bằng mạch RC
mắc song song với Thyristor tạo thành mạch

vòng phóng điện tích trong úa trình chuyển
mạch
Chọn R = 5 , C=25 àF
- 6 -
Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hng Lớp TĐH2 K46
Chơng 3 .Thiết kế mạch điều khiển
Nội dung chính của chơng gồm các phần sau
1.Các nguyên tắc thiết kế mạch điều khiển.
2. Hệ thống điều khiển pha xung.
3. Các sơ đồ mạch của mỗi khâu. Chọn lựa mạch.
4. Mạch điều khiển cụ thể .
5. Tính chọn mạch điều khiển .
I- Các nguyên tắc thiết kế mạch điều khiển:
Trong thực tế thờng dùng 2 nguyên tắc thiết kế mạch điều khiển là nguyên tắc
thẳng đứng tuyến tính và thẳng đứng arccos để điều chỉnh thời gian phát xung vào cực
điều khiển của Thyristor.
1. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính:
Nội dung của nguyên tắc này có thể mô tả theo sơ đồ:
Khi điện áp xoay chiều hình sin đặt vào anod của Thyristor, để có thể có điều
chỉnh đợc góc điều khiển , trong vùng điện áp dơng của anod, ta tạo điện áp tựa dạng
răng ca. Dùng điện áp một chiều U
đk
so sánh với điện áp tựa U
tựa
. Tại thời điểm cân
bằng của hai điện áp thì phát xung điều khiển. Thyristor sẽ đợc mở từ thời điểm có
xung điều khiển cho đến hết nửa cuối chu kì.
- 7 -
Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hng Lớp TĐH2 K46
Góc điều khiển đợc xác định theo biểu thức

max
.
tua
dk
U
U


=
. Bằng cách thay đổi U
đk
từ 0 đến U
tựa max
sẽ thay đổi đợc góc , do đó thay đổi đợc U
d

2. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos:
Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos đợc thể hiện trên hình vẽ:
Điện áp đặt vào anod catod của Thyristor là u
AK
= U
m
.sint.
Điện áp đồng bộ U
đb
vợt trớc u
AK
một góc /2 : u
đb
= U

m
.cost.
Điện áp điều khiển là điện áp một chiều có thể thay đổi theo cả hai phía dơng và
âm của biên độ.
Đặt u
đb
và u
đk
vào cổng đảo và không đảo của bộ so sánh. Tại thời điểm u
đk
=u
đb
ta
nhận đợc một xung ra rất mảnh ở đầu ra của khâu so sánh. Góc điều khiển đợc xác
định theo biểu thức:
U
m
. cos = U
đk
.
=








m

dk
U
U
arccos
- 8 -
Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hng Lớp TĐH2 K46
Bằng cách thay đổi U
đk
từ giá trị -U
m
đến +U
m
, ta có thể điều chỉnh từ 0 đến .
Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos đợc dùng trong các thiết bị chỉnh lu đòi
hỏi chất lợng cao.
Trong bản đồ án này sử dụng mạch lực là sơ đồ chỉnh lu 1 pha có điểm giữa
không đòi hỏi chất lợng điện áp cao lắm nên ta sẽ thiết kế mạch điều khiển theo
nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính.
II- Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển:
Ta biết trong các hệ thống chỉnh lu điện áp ra đợc xác định theo biểu thức :
U
d
= U
do
. cos.
trong đó là thời điểm ta phát xung mở Thyristor.
Nh vậy bằng cách thay đổi góc mở ta sẽ thay đổi giá trị của điện áp ra và hệ thống
cho phép ta điều chỉnh góc gọi là hệ thống điều khiển pha xung.
Sơ đồ cấu trúc của mạch điều khiển:
Nhiệm vụ của các khâu trong sơ đồ :

1) Khâu đồng pha ( khâu đồng bộ) : khâu này có nhiệm vụ xác định điểm gốc để
tính góc điều khiển . Nó có góc pha liên hệ chặt chẽ với điện áp của mạch lực. Khâu
này thờng là máy biến áp xung hoặc các phần tử ôptô
2) Khâu tạo điện áp tựa: khâu này có nhiệm vụ tạo điện áp có dạng cố định theo
nhịp của điện áp đồng pha, đồng thời nó cũng xác định phạm vi điều chỉnh của góc
Điện áp tựa có dạng tam giác hoặc răng ca, thòng dùng là điện áp răng ca.
- 9 -
Đồng
pha U
tựa
So
sánh
Dạng
xung
Khuếch
đại
xung
Bộ
điều
khiển
U
đặt
U
ph
U
đk
Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hng Lớp TĐH2 K46
3) Khâu so sánh : nhiệm vụ của khâu này là tiến hành so sánh điện áp tựa và điện
áp điều khiển. Thông thờng thời điểm cân băng giữa hai điện áp này chính là thời
điểm phát xung mở van, tức là thời điểm xác định góc .

4) Khâu dạng xung: khâu này có nhiệm vụ tạo ra xung điều khiển có hình dạng
phù hợp để mở chắc chắn mạch van chỉnh lu. Xung điều khiển có 4 dạng chính là
xung đơn, xung kép, xung rộng, xung chùm.
5) Khâu khuếch đại xung: nhiệm vụ chính là khuếch đại công suất của xung ra từ
mạch điều khiển lên tới giá trị đủ mở chắc chắn van lực.
6) Bộ điều chỉnh : có nhiệm vụ thực hiện một qui luật điều chỉnh nào đó (điều
chỉnh bằng lợng đặt hoặc do công nghệ thiết bị chế tạo ) và đợc phản hồi để tạo ra U
đk

để điều chỉnh góc nhằm khống chế năng lợng ra tải theo yêu cầu.
III- Chọn các khâu của mạch điều khiển
1.Khâu đồng pha:
Khâu này thờng sử dụng biến áp đồng pha hoặc phần tử ghép quang.
a)Sử dụng máy biến áp đồng pha:



Đặt điện áp u
1
= U
1m
. sint vào cuộn dây sơ cấp thì bên phía thứ cấp xuất hiện
điện áp xoay chiều u
2
= U
2m
. cost.
b)Sử dụng phần tử ghép quang:
- 10 -
u

1
~
u
2
Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hng Lớp TĐH2 K46
Trong nửa chu kì dơng của nguồn thì D
0
dẫn phát ánh sáng mở T
0
(T
0
là trandito
quang) làm T
0
dẫn dòng i
c
từ +E qua R
2
,T0 ,do đó U
đf
=0.
Trong nửa chu kì âm của nguồn thì D0 khoá làm cho T0 khoá, do đó U
đf
= E
Trong đồ án này chọn khâu đồng pha là máy biến áp đồng pha

2. Khâu tạo điện áp tựa:
Nguyên tắc của việc tạo điện áp răng ca là dựa vào sự phóng nạp của tụ C qua
một mạch nào đó. Quan hệ dòng và áp trên tụ C có dạng:
i

c
(t) = C.
dt
tdU
c
)(
Để U
c
(t) tuyến tính phải có điều kiện là : C và i
c
(t) là các hằng số.
Các mạch thông dụng dùng dùng trandito:
Urc
Hình a
- 11 -
Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hng Lớp TĐH2 K46
Urc
Hình b
*Với mạch hình a:
Khi u
đf
> 0 T thông, C bị ngắn mạch nên U
tựa
= U
c
= 0.
Khi u
đf
< 0 T khoá, C đợc nạp theo đờng +E - R2 - C. Điện áp trên tụ có
dạng: u

c
(t) =E.(1- e
-t /

) trong đó = R.C. Sau khoảng thời gian t= (3 ữ4) thì u
c
= E.
Dạng điện áp nh hình vẽ(sau-tờ5)

Răng ca này có dạng phi tuyến làm cho sự thay đổi của góc phụ thuộc vào U
đk

không tuyến tính.
*Với mạch hình b:
Khi u
đf
> 0 T thông nên U
tựa
= U
c
= 0.
Khi u
đf
< 0 T khoá, có sơ đồ thay thế nh sau:
Urc
Từ sơ đồ thay thế ta có :
ie = ic + ib ic
ie = iR3 =
const
R

UE
R
U
E
DZR
=

=
3
- 12 -
Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hng Lớp TĐH2 K46
U
C
(t) =
constutti
C
dtti
C
CCC
=+=

)0().(.
1
).(.
1
Kết quả là ta thu đợc dạng răng ca tuyến tính nh hình vẽ.
*Ngoài ra ta cũng có thể dùng mạch tạo xung sử dụng KĐTT nh hình vẽ,tuy
nhiên sơ đồ này khá phức tạp so với sơ đồ trên.
ở khâu này ta chọn sơ đồ b
3.Khâu so sánh:

Để xác định thời điểm mở Thyristor ta cần so sánh 2 tín hiệu là U
đk
và U
tựa
. Việc
so sánh 2 tín hiệu này thờng đợc thực hiện bằng khuếch đại thuật toán.



- 13 -
U
tựa
U
đk
+E
-E
U
SS
U
tựa
U
đk
+E
-E
U
SS
So sánh 2 cửa
So sánh 1 cửa
Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hng Lớp TĐH2 K46
*So sánh 2 cửa: thời điểm lật trạng thái là lúc U

tựa
=U
đk
Lúc U
tựa
> U
đk
thì U = U
tựa
U
đk
> 0 U
ss
= +U
ramax
(U
ramax
).
Lúc U
tựa
< U
đk
thì U < 0 U
ss
= -U
ramax
.
*So sánh 1 cửa: thời điểm lật trạng thái là lúc U
N
=U

P
=0
Ta có:
U
N
= U
P
= 0
tuadk
dktua
U
R
R
U
RR
R
U
R
U
.
1
2
0
2
1
1
1
21
=
=

+
+

Trong 2 sơ đồ trên thì sơ đồ so sánh một cửa dùng cho tín hiệu khác dấu còn sơ
đồ so sánh 2 cửa đợc dùng cho hai tín hiệu cùng dấu. Do đó ta sẽ sử dụng sơ đồ 1
so sánh 2 cửa.
4.Khâu dạng xung :
Khâu dạng xung tạo ra xung điều khiển có hình dạng phù hợp để mở chắc chắn
mạch van chỉnh lu. Xung điều khiển có 4 dạng cơ bản là xung đơn, xung kép, xung
rộng, xung chùm.
*Xung đơn: là một xung ngắn, có độ rộng t
x
100 ns, nó thờng đợc dùng cho các
mạch chỉnh lu dạng hình tia, tải thuần trở, tải động cơ.
*Xung kép: là 2 xung đơn, xung đầu tiên xác định góc , xung thứ 2 đảm bảo
thông mạch van.Loại này hay dùng cho sơ đồ chỉnh lu cầu 3 pha.
*Xung rộng : là xung có độ rộng phụ thuộc vào góc điều khiển , t
x
= - .Nó là
xung vạn năng có thể dùng cho các loại mạch lực và các loại tải xong lại khó thực
hiện việc cách ly.
*Xung chùm : là một dạng xung rộng nhng trong độ rộng ( - ) có một chùm
các xung tần số cao, khoảng 3 ữ 12 kHz. Nó dễ thực hiện việc cách ly và đợc ứng
dụng nhiều trong thực tế.
Ta sẽ chọn xung điều khiển có dạng xung chùm.
- 14 -
Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hng Lớp TĐH2 K46
Để tạo đợc xung chùm, ta trộn xung rộng lấy ra từ mạch so sánh và khâu phát tần
ở tần số cao bằng mạch AND.
Máy phát tần chính là các mạch dao động đa hài tạo xung vuông tần số cao, th-

ờng dùng bằng KĐTT hoặc vi mạch 555.
Tần số của xung ra là:
+ với bộ tạo xung dùng vi mạch 555:
CRR
f
).2.21(
443.1
+
=
+ với bộ tạo xung dùng KĐTT :






+
=
2
1
.21ln 3.2
1
R
R
CR
f
.
Ta sẽ sử dụng vi mạch 555.
- 15 -
Xungđơn

Xung kép
Xung rộng
Xung chùm
Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hng Lớp TĐH2 K46
5.Khâu khuếch đại xung :
Khâu khuếch đại xung có nhiệm vụ tăng công suất xung để đảm bảo mở chắc
chắn cho van và cách ly mạch lực với mạch điều khiển nếu U
d
< 36V.
Thực tế đa số các van có U
G
= 3 ữ 7 V và I
G
= 0.1 ữ 1 A.
Khâu dạng xung cho xung ra có I
ra
= 3 ữ 10 mA, cho nên mạch khuếch đại xung chủ
yếu là khuếch đại dòng với K
I max
= 1/0.01 =100.
Với khâu khuếch đại xung có 2 cách ghép là ghép trực tiếp và ghép gián tiếp
thông qua máy biến áp với mạch lực.
a) Khuếch đại xung ghép trực tiếp:
Sơ đồ
Đặc điểm của mạch:
- Đầu vào là xung rộng, cho nên khâu dạng xung cũng chính là khâu so sánh.
- Có thể ghép trực tiếp với mạch lực,nếu điện áp dới 36V.
Hoạt động:
+ U
dx

0 (trớc thời điểm ) : T1 khoá T2 khoá I
G
= 0.
+ U
dx
> 0 (từ thời điểm trở đi ): T1 mở T2 mở, xuất hiện dòng I
G
,dòng này
tồn tại tới chừng nào mà U
DX
còn dơng.
Dạng xug ra:(tờ 10)
Xung ra có 1 đỉnh rất mạnh làm Thyristor mở chính xác, sau đó giảm hẳn xuống
để duy trì.
- 16 -
Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hng Lớp TĐH2 K46
b) Khuếch đại xung ghép gián tiếp qua máy biến áp xung:
Sơ đồ:
Với sơ đồ trên tụ C1 có vai trò giảm nhỏ công suất toả nhiệt của trandito và giảm
kích thớc máy biến áp xung. Trandito chỉ mở cho dòng qua trong thời gian tụ nạp.
Bíên áp xung có nhiệm vụ cách ly mạch lực với mạch điều khiển.
Hoạt động của sơ đồ:
* Udx = 1 T1 mở T2 mở nên i
1
=

t
e
R
E
1.
1
với = L1/R1.
Khi t 5 thì i
L
=
1R
E
, bên thứ cấp biến áp xung xuất hiện xung điện áp U
G
để mở

thyristor.
* Udx = 0 T1 khoá T2 khoá nên i
C
= 0, năng lợng cuộn cảm đợc giẩi phóng
qua R1, i
1
giảm dần i
1

=











1
1.
1
T
e
R
E
.e
-t
trong đó T
1
là thời điểm mà U
DX
= 0
Dạng xung thu đợc nh hình vẽ
Đặc điểm của máy biến áp xung là chỉ có thể truyền đợc xung chùm, xung đơn ,
xung kép, không truyền đợc xung rộng và có khả năng cách ly mạch lực với mạch
điều khiển.

Trong đồ án này do điện áp ra của mạch lực lúc không tải là U
d0
= 60V > 36V
,khi hoạt động thì điện áp hàn cỡ 40 V nên ta sử dụng sơ đồ khuếch đại xung dùng
biến áp xung.
- 17 -
Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hng Lớp TĐH2 K46
6.Bộ điều chỉnh:
Nhiệm vụ của bộ điều khiển là tạo ra U
đk
dựa vào lợng đặt U
đ
và phản hồi. Do đó
ta sẽ sử dụng mạch khuếch đại vi sai.
Sơ đồ
Ta có : U
đk
= k. (U
đặt
- U
ph
)
Chọn Ra = Rf ta có U
đk
= U
đặt
- U
ph
.
IV- Sơ đồ mạch điều khiển:

Giải thích hoạt động của mạch:
Điện áp đồng pha vào tại A có dạng hình sin trùng pha với điện áp trên anod của
Thyristor . Trong thời gian U
đf
> 0 thì T
1
thông , U
tựa
= 0.
Trong thời gian U
đf
< 0 thì T
1
khoá ,tại B có điện áp tựa U
tựa
có dạng răng ca
Điện áp đặt U
đặt+
và điện ấp phản hồi U
ph
đợc đa tới đầu vào của khuếch đại vi sai,
kết quả là đầu ra của KĐTT A2 có điện áp điều khiển U
đk
là điện áp một chiều.
Điện áp tựa U
tựa
đợc so sánh với điện áp điều khiển U
đk
tại 2 đầu vào của KĐTT
A1. Thời điểm U

tựa
= U
đk
thì đầu ra của A1 lật trạng thái. Trong thời gian U
đk
< U
tựa

điện áp so sámh U
ss
có giá tri âm. Trong thời gian U
đk
> U
tựa
điện áp so sámh U
ss
có giá
tri dơng
Mạch tạo xung tần số cao 555 cho ta chuỗi xung có tần số từ 3 đến 12kHz (xung
thu đợc sau mạch 555 chỉ có tính chất định tính).
Hai tín hiệu U
ss
và U
chùm xung
cùng đợc đa tới khâu AND 2 cổng vào .Khi đồng
thời có cả 2 tín hiệu dơng U
CX
và U
SS
ta sẽ có xung ra U

DX
. Các xung ra làm T3,T4
thông ,kết quả là ta nhận đợc chuỗi xung nhọn X
đk
trên biến áp xung để đa tới
Thyristor
Điện áp U
d
trên T1 sẽ xuất hiện từ thời điểm có xung điều khiển đầu tiên cho đến
thời điểm phát xung vào cực điều khiển của Thyristor 2
Phân tích tơng tự cho nửa còn lại của bộ chỉnh lu
- 18 -
ThiÕt kÕ m¸y hµn mét chiÒu NguyÔn TiÕn Hng– Líp T§H2 – K46
- 19 -
Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hng Lớp TĐH2 K46
V- Tính toán mạch điều khiển
Việc tính toán mạch điều khiển tiến hành từ tầng khuếch đại ngợc lên.
Các thông số tính mạch điều khiển:
+) Điện áp điều khiển Thyristor: U
g
= 3 V
+) Dòng điều khiển: I
g
= 0,3 A
+) Thời gian mở: t
m
= 80às
+) Độ rộng xung điều khiển: t
x
= 167 às

+) Tần số xung điều khiển: f
g
= 3 kHz
+) Điện áp nuôi mạch điều khiển: E = 12V
+) Mức sụt biên độ xung:
1. Tính biến áp xung:
- Chọn vật liệu làm lõi là Ferit, lõi có hình xuyến, làm việc trên một phần đặc
tính từ hoá : B = 0,3 T ; H = 30 A/m ; không có khe hở không khí.
- Tỉ số biến áp xung: m = 2ữ3 , chọn m = 3
- Điện áp thứ cấp : U
2
= U
đk
= 3 V
- Điện áp cuộn sơ cấp : U
1
= mU
2
= 3.3 = 9 V
- Dòng thứ cấp : I
2
= I
đk
= 0,3 A
- Dòng sơ cấp : I
1
=
1,0
3
3,0

2
==
m
I
A
- Độ từ thẩm tơng đối của lõi sắt
à
tb
=
3
6
0
10.8
30.10.25,1
3,0
.


==


H
B
à
trong đó: à
0
= 1,25.10
-6
(H/m) : độ từ thẩm tơng đối
- Thể tích lõi thép cần dùng

V =
2
110

B
IUSt
xxtb

àà
= 2,505 cm
2
Chọn mạch từ có kích thớc V = 3 cm
2
. Với thể tích đó ta có các kích thớc nh sau:
a = 5 mm b = 8 mm c = 7,5 mm
D = 25 mm d = 15 mm Q = 40 mm
2

- Số vòng dây sơ cấp BAX
W
1
125
10.40.3,0
10.167.9
.
.
6
6
1
==

=


QB
tU
x
vòng
- Số vòng cuộn dây thứ cấp

42
3
125
1
2
===
m
W
W
vòng
- Tiết diện dây quấn sơ cấp

016,0
6
1,0
1
1
1
===
j

I
S
mm
2
; chọn j
1
= 6 A/mm
2
đờng kính dây quấn sơ cấp :
- 20 -
Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hng Lớp TĐH2 K46

14,0
4
1
1
==

S
d
mm chọn d
1
= 0,15 mm
- Tiết diện dây quấn thứ cấp:

075,0
4
3,0
2
2

2
===
j
I
S
mm
2
; chọn j
2
= 4 A/mm
2
đờng kính dây quấn sơ cấp :

14,0
4
2
2
==

S
d
mm chọn d
2
= 0,15 mm
2. Tính tầng khuếch đại cuối cùng:
Chọn Transistor công suất loại 2SC9111 làm việc ở chế độ xung có các thông
số :
- Transistor loại npn, vật liệu Si
+) Điện áp U
cbo

= 40 V
U
ebo
= 4 V
+) Dòng cực đại T chịu : I
cmax
= 500 mA
+) Công suất tieu tán ở C : P
c
= 1,7 W
+) t
o
max
lớp tiép giáp t
tg
= 175
o
C
+) Hệ số khuếch đại : = 40
+) Dòng làm việc colector : I
C
= I
1
= 0,1 A = 100 mA
+) Dòng làm việc Bazơ: I
B
= I
C
/ = 2,5 mA
- Với loại Transistor đã chọn có công suất khá nhỏ: U

đk
= 3 V ; I
đk
= 0,3 A dòng
làm việc I
cb
khá bé, cho nên ta không cần T4 mà vẫn đủ công suất điều khiển
Transistor.
- Chọn nguồn cung cấp cho BAX E = +12 V. Khi đó điện trở R
5
có giá trị:

30
1,0
912
1
1
5
=

=

=
I
UE
R

- Các diode trong mạch điều khiển đều dùng loại 1N4009 có các tham số:
+) Dòng điện định mức : I
đm

= 10 mA
+) Điện áp ngợc max : U
ng
= 25 V
+) Điện áp để diode thông : U
m
= 1 V
3. Chọn cổng AND:
Chọn IC 4081 thuộc họ CMOS. Mỗi IC 4081 có 4 cổng AND và có các thông số
nh sau :
+) Nguồn nuôi IC: V
CC
= 3 ữ 15 V, ta chọn V
CC
= 12 V
+) Nhiệt độ làm việc - 40 ữ 80
o
C
+) Điện áp mức lôgíc 1 : 2 ữ 4,5
+) Dòng điện I < 1 mA
+) Công suất tiêu thụ P = 2,5 nW/ cổng
- Sơ đồ chân:
- 21 -
Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hng Lớp TĐH2 K46
4. Chọn C
2
và R
4
:
- Điện trở R

4
dùng để hạn chế dòng điện đa vào Bazơ của T4
- R
4
đợc chọn phải thoả mãn điều kiện :
R
4
>
8,1
10.5,2
5,4
3
log
==

B
ic
I
U
k
ta chọn R
4
= 2 k
- Chọn C
2
.R
4
= t
x

F
R
t
C
x
à
0835,0
10.2
167
3
4
2
===
chọn C
2
= 0,8 àF.
5. Chọn thông số cho bộ tạo xung chùm
- Thông số của Timer 555
+) Điện áp nguồn nuôi : V
CC
= 5 ữ 18 V
+) Điện áp đầu ra : V
ra
= V
CC
- 0,5 V
+) Tần số xung ra :
CRR
f
).(

443,1
21
+
=
- Chọn nguồn nuôi V
CC
= 5 V
- Chọn R = R
1
= R
2
; C
5
= 0,1 àF ; C
4
= 0,01 àF.
- Lúc đó :

03,16
10.01,0.10.3.3
443,1
.3
443,1
63
===

Cf
R
k
chọn R

1
= R
2
= 16 k
6. Tính chọn tầng so sánh
- KĐTT A1 chọn loại TL084
- Chọn R
P
= R
N
>
==

k
I
U
v
v
12
10.1
12
3
Trong đó: nếu nguồn V
CC
= 12 V thì điện áp vào A1 là U
V
= 12 V, dòng vào đợc
hạn chế để I
V
< 1 mA

Ta chọn R
P
= R
N
= 15 k , lúc đó I
V
= 0,8 mA
7. Tính chọn khâu đồng pha
- Điện áp tựa đợc hình thành do sự nạp điện của tụ C
1
- 22 -
Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hng Lớp TĐH2 K46
- Ta chọn thời gian nạp của tụ là : t
1
= R
3
C
1
= 0,005 s
- Chọn C
1
= 20 àF R
3
= 25 k
- Để thuận tiên cho việc điều chỉnh lắp ráp, chọn R
3
là biến trở .
- Chọn T2 là Transistor loại A564 có các thông số :
+) U
cbo

= 25 V
+) U
beo
= 7 V
+) I
Cmax
= 100 mA
+) t
o
tiếp giáp
= 150
o
C
+) = 250
I

max
= 100/250 = 0,4 mA
- Chọn T1 là loại C828
- Điện trở R
2
hạn chế dòng và T2, đợc chọn sao cho
=

=

k
I
UE
R

B
DZ
15
4,0
612
2
chọn R
2
= 15 k
- Chọn điện áp xoay chiều đồng pha U
A
= 9 V
- Chọn R
1
để hạn chế dòng vào Bazơ của T1 sao cho I
V
< I
Vmax
max
1
9
VV
I
R
I =

== k
I
R
V

5,22
4,0
99
max
1
chọn R
1
= 25 k
8. Chọn khâu tạo điện áp điều khiển U
đk
- Chọn R
a
= R
f
để U
đk
= U
đặt
- U
ph
- Khi hở mạch I = 0 U
ph
= 0 U
đk
= U
đặt
. Nh vậy, U
đặt
là điện áp điều khiển
khi hở mạch có U

ho
=60 V và thời điểm phát xung là
0
= /3.
Tại thời điểm phát xung có: U
đk
= U
đặt
= U
tựa
(t = /3)
- Dựa vào phơng trình trên ta tìm biên độ U
đặt
:
Theo trên có :
U
tựa
=
tt
R
UE
C
tI
C
dtti
C
DZ
t
Cc
1200

10.50
6126
.
10.1,0
11
.
1
)(
1
36
31
0
11
=

=

==


Tại t = /3 U
tựa
=
4
3.100
.1200.1200
==

t
V
Chọn các điện trở : R
a
= R
f
= 10 k
9. Chọn khâu phản hồi
Ta có : U
ph
= I . R
S
Chọn R
S
thoả mãn U
ph
< U
đk


==<
3
10.6,6
600
4
I
U
R
dat

S
Chọn R
S
= 6 m
10. Chọn nguồn nuôi
- Ta cần nguồn 12 V để cấp cho các IC
- 23 -
Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hng Lớp TĐH2 K46
- Sơ đồ nguyên lý:
- Dùng cầu chỉnh lu 1 pha điốt, có điện áp thứ cấp nguồn nuôi
3,13
9,0
12
2
==U
V chọn U
2
= 15 V
- Để ổn áp nguồn nuôi ta chọn 2 vi mạch ổn áp LM7812 và LM7912 có các thông
số:
U
vào
= 7ữ35 V
LM7812 U
ra
=12V
LM7912 U
ra
= -12 V
I

ra
= 0ữ1 A
- Tụ C
4
, C
5
lọc sóng hài bậc cao
- Chọn C
4
=C
5
=C
6
=C
7
= 470 àF ; U
vào
= 35V
11. Tính MBA nguồn nuôi và đồng pha:
Ta cần nguồn nuôi 12 V để cung cấp cho máy biến áp xung , IC và các KĐTT
- Chọn MBA 1 pha kiểu lõi, có 3 cuộn dây: 1cuộn sơ cấp + 2 cuộn thứ cấp
- Điện áp lấy ra ở thứ cấp MBA làm điện áp đồng pha và nguồn nuôi
U
2
= U
2đp
= U
N
= 9 V
- Dòng thứ cấp BA đồng pha: I

2đp
= 1 mA
- Công suất nguồn nuôi cấp cho BAX
P
đp
= 2.U
2đp
.I
2đp
= 2.9.10
-3

= 18 mW
- Công suất tiêu thụ ở 2 KĐTT TL084 để tạo hai cổng AND
P
KĐTT
= 2.0,68 = 1,36 W
- Công suất BAX cấp cho cực điều khiển Thyristor
P
x
= 2.U
đk
.I
đk
= 2.3.0,3 = 1,8 W
- Công suất cho việc tạo nguồn nuôi:
P
N
= P
đp

+ P
KĐTT
+ P
x
= 3,178 W
- Công suất ủa MAB có kể tới 5% tổn hao:
S = 1,05 ( P
đp
+ P
N
) = 3,356 W
- Dòng thứ cấp MBA
- 24 -
Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hng Lớp TĐH2 K46
I
2
=
186,0
9.2
356,3
.2
2
==
U
S
- Dòng sơ cấp:
I
1
=
380

356,3
1
=
U
S
= 0,0088 A
- Tiết diện trụ của MBA:
55,1
50.1
356,3
6 ===
mf
S
kQ
qT
cm
2
Trong đó: k
q
= 6 hệ số phụ thuộc phơng thức làm mát
m = 1 số trụ của MBA
f = 50 tần số lới
chuẩn hoá ta đợc Q
T
= 1,63 cm
2
- Số vòng dây sơ cấp, chọn mật độ từ cảm B = 1 T
W
1
=

=
T
fBQ
U
44,4
1
10502 vòng
- Số vòng dây thứ cấp
W
2
=
=
1
2
1
U
U
W
249 vòng
- Chọn mật độ dòng điện j
1
= j
2
= 2,75 A/mm
2
- Tiết diện dây quấn sơ cấp:
===
75,2.380
356,3
.

11
1
JU
S
S
0,0032 mm
2
đờng kính dây quấn sơ cấp:
d
1
=
064,0
4
1
=

S
mm chọn d
1
= 0,1 mm
- Tiết diện dây quấn thứ cấp:
0678,0
75,2.9.2
356,3
2
22
2
===
JU
S

S
mm
2
đờng kính dây quấn thứ cấp:
d
2
=
294,0
4
2
=

S
mm chọn d
1
= 0,3 mm
12. Tính chọn Diode cho mạch chỉnh lu:
- I
hd
qua diode
131,0
2
186,0
2
2
===
I
I
D
A

- Điện áp ngợc max mà Diode phải chịu
U
ngmax
=
2
U
2
= 9
2
= 12,7 V
- Chọn Diode có :
I
đm
= k
i
.I
D
= 10.0,131 = 1,31 A
U
ng
= k
u
.U
ngmax
=2.12,7 = 25,4
ta chọn Diode loại có I
đm
=
- 25 -