thiết kế máy hàn một chiều

Thiết kế máy hàn một chiều
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)
b) Dòng điện:
- 1 -
Thiết kế máy hàn một chiều

- 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
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
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
- Chọn C = 10000 àF L = 10,76 (mH)
- 4 -
Thiết kế máy hàn một chiều
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:
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.
- 5 -
Thiết kế máy hàn một chiều
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
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.
- 6 -
Thiết kế máy hàn một chiều
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.
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:
- 7 -
Thiết kế máy hàn một chiều
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
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.
- 8 -
Thiết kế máy hàn một chiều
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.
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 .
- 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
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