Thiết kế bộ chỉnh lưu dùng cho máy hàn 1 chiều

Thiết kế bộ chỉnh lưu dùng cho máy hàn 1 chiều

ĐỒ ÁN MÔN HỌC
ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Đề số 11:
Thiết kế bộ chỉnh lưu dùng cho máy hàn 1 chiều có các thông số sau:
Uvào(V)
3x380

Ura(V)
40

-1-

Ira(A)
1500


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 những
ứng 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 động
hóa của chúng em thì việc nắm vững lí thuyết môn học Điện Tử Công Suất và
biết 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!

-2-


Thiết kế bộ chỉnh lưu dùng cho máy hàn 1 chiều

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:

Uh

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.
Thường sử dụng đoạn đặc tính CD đẻ hàn.

-3-

B

A
C

D
Ih


Thiết kế bộ chỉnh lưu dùng cho máy hàn 1 chiều

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
-4-

Thiết kế bộ chỉnh lưu dùng cho máy hàn 1 chiều

Than : U0min = (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.

I 

I nm
1,2 1,4
I dm

Trong đó:  I -bội số dòng điện ngắn mạch
I nm - dòng điện ngắn mạch [A]

- 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 h (40 60) d

Trong đó : I h - dòng điện hàn [A]
d - đường kính que hàn [mm].
- Đường đặc tính ngoài của nguồn hàn phải đáp ứng theo từng phương háp
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
U

hàn:

1
4

1: Đặc tính dốc

3

2: Đặc tính thoải
2

3: Đặc tính cứng
4: Đặc tính tăng

I
Nguồn hàn dùng cho phương pháp hàn hồ quang bằng tay phải có đường
đặc tính ngoài dốc.
-5-


Thiết kế bộ chỉnh lưu dùng cho máy hàn 1 chiều

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:
a. Sơ đồ đồ thị:

b. Công thức tính toán:
- Điện áp chỉnh lưu nhận được:

-6-


Thiết kế bộ chỉnh lưu dùng cho máy hàn 1 chiều
5

Ud 

3 6 
3 6
2U 2 Sind 
U 2 Cos U d 0 Cos


2 6 
2

Với U d 0 

3 6
U 2 1,17U 2
2

- Điện áp ngược đặt lên van:
U ng max  6U 2 2,45U 2
U

d
- Dòng điện tải trung bình: I d  R
d

- Dòng điện trung bình qua van: I v 

Id
3

- Dòng điện thứ cấp máy biến áp :
5
5
I
1 6  2
1 6  2
I2 
i 2 d 
I d d  d 0,58I d




2 6 
2 6 
3

- Công suất máy biến áp :
S

3U 1 I 1  3U 2 I 2
1,35 Pd
2

3. Sơ đồ 3 pha điều khiển không đối xứng:
a. Sơ đồ và đồ thị:
b. Công thức tính toán:
- Điện áp chỉnh lưu nhận được:
Ud 

3 6
U 2 (1  Cos ) 1,17U 2 (1  Cos )
2

- Điện áp ngược đặt lên van:
U ng max  6U 2 2,45U 2
U

d
- Dòng điện tải trung bình: I d  R
d

- Dòng điện trung bình qua van: I v 

Id
3

- Dòng điện thứ cấp máy biến áp :
-7-


Thiết kế bộ chỉnh lưu dùng cho máy hàn 1 chiều


5

3 2
2 6
2
I2 
i 2 d 





2 6
3 2



2

i 2 0,816 I d

- Công suất máy biến áp :

S

3U 1 I 1  3U 2 I 2
1,05 Pd
2

-8-


Thiết kế bộ chỉnh lưu dùng cho máy hàn 1 chiều

- Điện áp chỉnh lưu nhận được:

Ud 

3 6
U 2 (1  Cos ) 1,17U 2 (1  Cos )
2

Điện áp ngược đặt lên van: U ng max  6U 2 2,45U 2
U

d
- Dòng điện tải trung bình: I d  R
d

- Dòng điện trung bình qua van: I v 

Id
3

- Dòng điện thứ cấp máy biến áp :


5

3 2
2 6
2
I2 
i 2 d 



2 6 
3 2



2

i 2 0,816 I d

- Công suất máy biến áp :

S

3U 1 I 1  3U 2 I 2
1,05 Pd
2

4. Sơ đồ 3 pha có điều khiển:
a. Sơ đồ và đồ thị:

-9-

-


Thiết kế bộ chỉnh lưu dùng cho máy hàn 1 chiều

b.Công thức tính toán:
o

      30
1

2

3

4

5

6

o

nếu

 60

U

U d 0 COS 2,34U 2 COS

I

d

tbv

U
S

Id
3

ngV max

ba

2,54U 2

1,05 P d max (khi góc mở bằng 0)

V. Nhận xét chung:
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 phép
nâng công suất tải lên nhiều, độ đập mạch điện áp sau chỉnh lưu giảm cho nên
giảm kích thước cuộn kháng lọc.
- 10 -


Thiết kế bộ chỉnh lưu dùng cho máy hàn 1 chiều

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

- 11 -


Thiết kế bộ chỉnh lưu dùng cho máy hàn 1 chiều

I.Thiết kế mạch lực:

b

a

c
CD
at

r

c

2c c

1c c

1c c

1c c
r

c

T4

t1

2c c

r

c

r

2c c

T6

t3

2c c

r

c

r

c

2c c

T2

t5

2c c

l

r

s

u

phd

S¬®å m¹ch lùc

II. Thiết kế máy biến áp:
1. Các thông số cơ bản của máy biến áp:
- Điện áp sơ cấp: U1 =3 x 380 (V)
- Điện áp pha thứ cấp:
Phương trình cân bằng điện áp khi có tải:
U d 0 U d   U

Trong đó :

 U U

V

 U L  U ba
- 12 -

vËt hµn


Thiết kế bộ chỉnh lưu dùng cho máy hàn 1 chiều

Sụt áp trên van: U V 2.1,6 3,2 (V )
Sụt áp trên cuộn kháng lọc: U L 3,5 (V )
Sụt áp trên máy biến áp : U ba 5%U d 0,05.40 2 (V )
 U d 0 40  3,2  3,5  2 48,7 (V )

- Công suất máy biến áp:
S ba k sd Pd 1,23.48,7.1500  89,85 ( KVA )

- Với sơ đồ cầu 3 pha có điều khiển ta có:
Ud0 

3 3
U 2 Cos


lấy  30 0

 48,7 1,654U 2 Cos30 0
48,7
 U2 
 33,99 34 (V )
1,654Cos30 0

- Điện áp pha thứ cấp máy biến áp :
U 2 34 (V )

- Dòng hiệu dụng thứ cấp máy biến áp :
I 2 1,11I d 1500.1,11 1665 ( A)

- Dòng sơ cấp máy biến áp :
- I1 = I2.kBA =

u
I
u
2

1

2

=

34
1665 = 148,97(A)
380

Chọn mạch từ 3 trụ, tiết diện mỗi trụ :
Q Fe k Q

S ba
mf

 QFe 6

89850
146,8 (cm 2 )
3.50

k Q : Hệ số phụ thuộc phương thức làm mát, lấy k Q 6 (máy biến áp khô)

m: Số trụ của máy biến áp
- Số vòng vôn: 4,44. f .Q.B 4,44.50.146,8.10  4 3,2 (vôn/vòng)

- 13 -


Thiết kế bộ chỉnh lưu dùng cho máy hàn 1 chiều

- Số vòng dây sơ cấp: W1 

U 1 380

118,75 vòng ; chọn
3,2 3,2

- Số vòng dây thứ cấp: W2 

U 2 34

10,6 vòng; chọn
3,2 3,2

- Chọn mật độ dòng điện :

J 1  J 2 2,5 A / mm 2

- Tiết diện dây dẫn sơ cấp:

Q1 

- Tiết diện dây dẫn thứ cấp:

Q2 

w1= 120 vòng

w2= 11 vòng

I 1 148.97

59,6(mm 2 )
J1
2,5
I 2 1665

666(mm 2 )

J2
2,5

II. TÍNH CHỌN VAN ĐỘNG LỰC
a. Các thông số để chọn van:
- Điện áp chỉnh lưu không tải : U d 0 48,7 (V )
- Điện áp ngược lớn nhất mà van phải chịu:

u

LV

k NV .u 2 =

6 .34 = 83,3 (v)

 U ng max k dtU .u LV =1,6 . 83,3 = 133,28 (v); (chọn hệ số dự trữ kdtU =

1,6.)
- Dòng điện làm việc của van: Itbvan = I d 3 = 1500 3 = 500 (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 = 2.500 = 1000 (A)
b. Chọn van:
- Tiristor: N520CH04GOO (tra ở phụ lục 2 trang 664 sách điện tử công
suất của thầy LÊ VĂN DOANH) với các thông số:
U ng max  400

(V )

I max  2200 ( A)
I G  0,3

( A)

- 14 -


Thiết kế bộ chỉnh lưu dùng cho máy hàn 1 chiều
UG  3
U  1.3

(V )
(V )

I pik  15500 ( A)
dU
 300 (V / s )
dt
0
t max
125 0 C

III. Tính cuộn kháng lọc
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=

0,057

2,85
0,02
U

40

d
Tải có điện trở tương đương: Rd  I 1500 0,027 ()
d

 Ta có giá trị điện cảm:
L

Rd
0,027
2
k sb  1 
2,85 2  1 6,81.10  5 ( H ) 0,0681 (mH )
mdm .w
3.2..50

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:
ZL XL = wL = 2.  .f.0,068.10-3 = 21,35.10-3 ()
Điện áp rơi trên cuộn kháng lọc: U L  Z L .

- 15 -

I 1m
2

= 21,35.10-3.

150
2

= 2,265 (V)


Thiết kế bộ chỉnh lưu dùng cho máy hàn 1 chiều

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
số

mạch điều
khiển thực

tế sử

dụng
nguyên tắc

này

- 16 -


Thiết kế bộ chỉnh lưu dùng cho máy hàn 1 chiều

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 áp
được 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 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 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 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
- 17 -


Thiết kế bộ chỉnh lưu dùng cho máy hàn 1 chiều

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
khỏi bị quá áp.

III. Tính toán các khâu trong mạch điều khiển:
1.Tính toán khâu đồng bộ:

+ E

U1

.

1

1

5

3
2

R 1

+

1

-

4

~
4

8
TR F

14

D 2

1

- E

2

U

R

8

D 1
14

1
+E1

3
VR 1

R 2

Tính toán:
Chọn góc duy trì và thoát năng lượng  =5 o thì điện áp U1 đặt vào cửa (+)
của bộ so sánh là: U  = 2 Umaxsin 5 o = 2 .12.sin 5 o = 1,48(V)
U

E

R2
Ta có: I  R  R  VR
2

2
1

- 18 -

U 2


Thiết kế bộ chỉnh lưu dùng cho máy hàn 1 chiều
1,48

E  1,48

 R  VR
2
1

12  1,48 10,52


VR1
VR1

 VR1 7R2
Chọn R2 = 5 (k) , VR1 = 50 (k)
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:
C 1

2

1

3
VR 2

+E 2

R 4

D Z

U 2

1

14

R 3

8

+ E
D 3

2

-

1

+
4

3

- E

Tính toán
1
f

1
0,02( s ) 20 (ms) tương ứng với 360 0
50
T
 Chu kì của điện áp răng cưa là : TRC  10 (ms) tương ứng với 180
2

Chu kì của điện áp lưới là: T  

0

Mặt khác Trc = tp + tn
Trong đó : tp - thời gian phóng của tụ C1
tn - thời gian nạp của tụ C1
Như trên ta đã chọn  = 5 0 tức là tn = 10 0  tp = 180 0 - 10 0 = 170 0
Tương ứng với thời gian là: tp =

170 0 x10 ''
9,4ms

180 0

10 0 x10 ''
0,6ms
tn =
180 0

Chọn giá trị của tụ C1 = 0,2  F
Gọi dòng địên trong quá trình nạp là In. Sau khoảng thời gian t = tn =
0,6 (ms) thì điện áp trên tụ đạt giá trị UC0 vậy ta có:
U C0 

1
C

0,6


0

i c dt 

U bh
t 9
C.R3
- 19 -

U 3

Thiết kế bộ chỉnh lưu dùng cho máy hàn 1 chiều
U
10.0,6.10  3
 R3  bh t 
3333,33   
9.C
9.0,2.10  6

Chọn R3 có giá trị là 3,5 k
Gọi dòng địên trong quá trình phóng là Ip. Sau khoảng thời gian t = tp =
9,4 (ms) thì điện áp trên tụ về giá trị 0 vậy ta có:
tlp

U C 0 .C 9.0,2.10  6

I


1,9.10  4  A
I
dt
=0
p
p
3

tp
9,4.10
0
E2

12
E2
3
Ta có: I p VR  R  VR2  R4  I 1,9.10  4 63,15.10   
p
2
4

Ucp = U C 0 

1
C

Chọn R4 = 20 k, VR2 = 50 k có thể điều chỉnh được.
3. Khâu so sánh:
+E

8

-

3

1

R 7
.

+

R 6

D 4
14

4

U ®k

2

1

U rc

U 4

R 5

-E

Đ ể đảm bảo cho dòng điện đi vào các cửa của khuyếch đại thuật toán nhỏ hơn
1mA ta chọn R5=R6=15 k
4. Khâu phát xung chùm:

U 6

R 8

8

+E

2

R 11

-

1

+

D 6

4

3

R 1 0

- 20 -

R 9
C 3

-E


Thiết kế bộ chỉnh lưu dùng cho máy hàn 1 chiều

Tính toán:
� 2 R9 �
�
� R10 �

1
Chu kỳ dao động: T  2 R8C3 ln �

Chọn tần số phát xung là f = 10 kHz
� 2 R9 � 1
1
 0, 0001
� 
3
� R10 � f 10.10

1
 2 R8C3 ln �

Theo kinh nghiệm thường chọn R9 + R10 cỡ 20 k, để giảm độ chênh lệch
giữa 2 cửa vào của OA chọn R10 nhỏ hơn R9.Vậy chọn R10 = 5k, R9 = 15k
Chọn trị số tụ điện C2 là 10 nF


R8 

0, 0001
0, 0001


�2500
� 2 R9 �
� 2.15 �
9
()
1
2C2 ln �
1
�
� 2.10.10 .ln �
5
�
�
� R10 �

Chọn trị số của R8 là: 2,5 k
Để có sườn xung dốc đứng ta nên sử dụng loại OA có tham số về tốc độ
tăng áp lớn (như LF351) hoặc dùng comparator (như LM301, LM339…), các
loại OA thông dụng như LM324, a741 cho xung không thật dốc với khu vực
tần số trên 10 (kHz)
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 C
Điện áp ứng với mức logic “1”: 2.54,5 (V).
Dòng điện nhỏ hơn: 1 mA
Bảng chân lí của cổng AND:
X1

X2

Y

1

1

1

1

0

0
- 21 -


Thiết kế bộ chỉnh lưu dùng cho máy hàn 1 chiều

0

1

0

0

0

0

6. Khâu phản hồi:

R 17

+

R 19

R 22

C 2

+E
+E

R 18

1

2

+

3

1

+

2
3

-

1

+

4

4

4

R 16

R 21

-

8

-

8

2
3

RS

+E

8

R 15

-E

-

-E

+E

2

R 20
1

3
V R 2

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
Ta có: RS = 2,51747 = 0,0014 � PRS = 1747 2.0,0014 = 4272 W
Chọn: RS = 0,0015  và PRS = 10 kW
7.Khối nguồn:


tính toán biến áp
Công suất cấp cho các khối là rất nhỏ, thông thường ta chọn thông số
của các biến áp của các khối như sau:
- 22 -

-E

U ®k


Thiết kế bộ chỉnh lưu dùng cho máy hàn 1 chiều

o Khâu ổn áp:
U 2 _ 1 =17 V; I 2 _ 1 =0,6 A
Công suất của khâu ổn áp là:
P 2 _ 1 =U 2 _ 1 .I 2 _ 1 =17.0,6=10,2 (W)
o Khâu nguồn công suất :
U 2 _ 2 =10 V; I 2 _ 2 =1 A
Công suất của nguồn ổn áp là:
P 2 _ 2 =U 2 _ 2 .I 2 _ 2 =10.1=10 (W)
o Khâu đồng pha:

U 2 _ 3 =12 V; I 2 _ 3 =0,1 A
Công suất của nguồn đồng pha là:
P 2 _ 3 =U 2 _ 3 .I 2 _ 3 =24.0,1=2,4 (W)
Tổng công suất của cả ba khâu là:
P= P 2 _ 1 +P 2 _ 2 + P 2 _ 3 =10,2 + 10 + 2,4 = 22,6 (W)
Số von/vòng là:
N=4,44.B.f.Q=4,44.1.50.2,91.10  4 =0,064 (von/vòng)
Số vòng cuộn thứ cấp biến áp của khối ổn áp :
W2 _ 1 

U 2 _1



N

17
266 (vòng)
0,064

Chọn mật độ dòng điện thứ cấp là J=2A/mm 2 .Thiết diện dây thứ cấp là:
Q2 _ 1 

I 2 _1
J



0,6
0,3 mm 2

2

Chọn dây chuẩn có thiết diện dây là: Q 2 _ 1 =0,3019 tương đương với
đường kính d 2 _ 1 0,62 mm
Số vòng cuộn thứ cấp biến áp của khối công suất :
W2 _ 2 

U2_2
N



10
156 (vòng)
0,064

Chọn mật độ dòng điện thứ cấp là J=2A/mm 2 .Thiết diện dây thứ cấp là:
Q2 _ 2 

I2_2
J

1
 0,5mm 2
2

Chọn dây chuẩn có thiết diện dây là: Q 2 _ 2 =0,5027 tương ứng với
đường kính d 2 _ 2 =0,8mm
Số vòng cuộn thứ cấp biến áp khối đồng pha :
W2 _ 3 

U2_3
N



12
188 (vòng)
0,064

Chọn mật độ dòng điện thứ cấp là J=2A/mm 2 .Thiết diện dây thứ cấp là:
- 23 -


Thiết kế bộ chỉnh lưu dùng cho máy hàn 1 chiều

Q2 _ 3 

I2_3
J



0,1
0,05mm 2
2

Chọn dây chuẩn có thiết diện dây là: Q 2 _ 2 =0,05726tương ứng với
đường kính d 2 _ 2 =0,27mm


Tính toán phía sơ cấp biến áp
Dòng điện sơ cấp trong máy biến áp là:
I1 

S
22,6

0,102
U 1 220

( A)

Số vòng cuộn sơ cấp biến áp :
W1 

U1
220

3438
N 0,064

(vòng)

Chọn mật độ dòng điện thứ cấp là J=2A/mm 2 .Thiết diện dây sơ cấp là:
S1 

I 1 0,102

0,051
J

2

(mm 2 )

D 9

8.Khuyếch đại xung & biến áp xung:
a.Biến áp xung:

4
R 12

2

3
1

8
TR F 2

TR 1

2

- 24 R 13

3
1

TR 2

1

1

D 8
14

14

1

Chọn dây chuẩn có thiết diện dây là: S1 0,05726 mm 2 tương ứng với
đường kính d1 0,27 mm

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: U2 =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 7912
Dòng điện đầu ra: Ira = 01 (A).
Tụ điện C4, C5 dùng để lọc thành phần sóng hài bậc cao.
Chọn: C1 = C1 ' có: 50V/1000 F
C 2 = C 2 ' có: 25V/1000 F
C 3 = C 3 ' = 1F
+E4

Chọn C4 có: 25V/1000 F
Các diode D1  D8 chọn loại diode thông
R 14
thường có các thông số:
14
D 7
Itb = 1 A
1
5
Uđm = 200 V

T1


Thiết kế bộ chỉnh lưu dùng cho máy hàn 1 chiều

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 =13 là
tốt nhất.
ở đây ta chọn m = 2
Vậy giá trị dòng sơ cấp của BAX
I1 

I 2 300

 150 (mA)
m
2

Giá trị điện áp sơ cấp của BAX:
U1  U 2 .m  2,5.2  5

(V )

Công suất của BAX:

S  U1.I1  5.0,15  0, 75 (VA)

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 1cm2.
Ut

1 x
Số vòng dây cuốn sơ cấp BAX: W1  B .S
s
Trong đó: tx là chiều dài xung truyền qua máy biến áp thường có giá trị
từ 10 đến 600s. ở đây ta chọn tx là 350 s
S là tiết diện lõi Ferit

5.350.106
 23 (vòng)
Thay số vào ta có: W1 
0, 75.104

Số vòng dây cuốn thứ cấp BAX:
W2 

W1 23


 11,5 (vòng)
m
2

Giá trị trung bình ở sơ cấp và thứ cấp BAX
I1tb  I1
I 21tb  I 2

tx
350.106
 0,15.
 1,98.102 ( A)
T
2.102
tx
350.106
 0,3.
 3,96.102 ( A)
2
T
2.10

Đường kính cuộn sơ cấp, thứ cấp BAX (khi ta chọn J = 2.35 (A/mm2)
d1  2.

I1tb
1,98.102
 2.
�0,1 ( mm)
J .

2,35.3,14

d 2  2.

I 2tb
1,98.102
 2.
�0,15( mm)
J .
2,35.3,14

Như vậy ta chọn d1 = 0,1 (mm), d2 = 0,15 (mm)
b.Khuyếch đại xung: Chọn ECS = 10 V
- 25 -