Tài liệu CHƯƠNG 2 : THIẾT KẾ MẠCH LỰC pdf

Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hưng– Lớp TĐH2 – K46
CHƯƠNG 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 lưu 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 lưu không tải (hở mạch) sẽ là:
U
d
= U
do
. Cosỏ
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%
ỏ
o
: là góc mở của thyristor khi hở mạch, ta chọn ỏ
o
= 60
o
Thay các thông số ta được :
U
do
.cosỏ

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

2
U
2
= 407,3 (V)
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 lưu 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 được
U
ng
= 1,6 . 407,3 = 652 (V)
I
tb
= 1,2 . 300 = 360 (A) (1,2. 120 =144A)
- Tra bảng ta chọn được Thyristor SC150C80 với các thông số sau:
Điện áp ngược 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 :
- 2 -

Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hưng– Lớp TĐH2 – K46

61118
2
6118061056
2
21
=
+
=
+
=
SS
S
24590
Ta chọn MBA 1 pha, 1 trụ dạng ỉ, ² 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 được tính theo công thức kinh nghiệm:
Q
Fe
=
cf
S
k
[cm
2
]
Trong đó:
+) k = hệ số phụ thuộc phương 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
lượng 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 lượng 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 thước 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)

- 3 -
Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hưng– Lớp TĐH2 – K46
⇒ Q
cs
= 2. ( 74.54 + 28.141) = 15888 mm
2
≈ 160 [cm
2
] 89422mm = 894 cm2
- Các hệ số phụ:
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 được bố trí theo chiều dọc trụ với mỗi cuộn dây được 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
=
b
r
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 lưu được 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 lưu 1 pha
cả chu kỳ có điểm giữa:
u
d
=
tU
U
ω

π
π
2cos2
3
422
2
2
+

khi đó LC sẽ được tính theo công thức:

LC
kn
A
LC
22
ω
=

trong đó: A = 0,425 n = 2
- 4 -
Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hưng– Lớp TĐH2 – K46
k
LC
= tỷ số nhấp nhô
k
LC
=
2
.2 U

UΔ
= 0,01 →
6
2
10.8,107
01,0.314.4
425,0
−
==LC
- 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
π
fmL = 314.2.10,76.10
-3
= 6,78
Ω

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
==
−
ω

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 ỉ. 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 được 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 hưởng 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
- 5 -
Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hưng– Lớp TĐH2 – K46
Làm mát bằng nước 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.
2. Bảo vệ quá điện áp cho van:
Bảo vệ quá điện áp do quá trình đóng
cắt Thyistor được 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 Ω, C=25 μF

- 6 -
Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hưng– Lớp TĐH2 – K46





Chương 3 .Thiết kế mạch điều khiển

Nội dung chính của chương 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 thường 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:











- 7 -
Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hưng– Lớp TĐH2 – K46
Khi điện áp xoay chiều hình sin đặt vào anod của Thyristor, để có thể có điều
chỉnh được góc điều khiển α, trong vùng điện áp dương của anod, ta tạo điện áp tựa
dạng răng cưa. 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 được mở từ thời
điểm có xung điều khiển cho đến hết nửa cuối chu kì.
Góc điều khiển α được xác định theo biểu thức
max
.
tua
dk
U
U
π
α
=
. Bằng cách thay đổi
U
đk
từ 0 đến U
tựa max
sẽ thay đổi được góc α, do đó thay đổi được U
d


2. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos:
Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos được thể hiện trên hình vẽ:

Điện áp đặt vào anod – catod của Thyristor là u
AK
= U
m
.sinωt.
Điện áp đồng bộ U
đb
vượt trước u
AK
một góc π/2 : u
đb
= U
m
.cosωt.
Điện áp điều khiển là điện áp một chiều có thể thay đổi theo cả hai phía dương
và âm của biên độ.
- 8 -
Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hưng– Lớp TĐH2 – K46
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 được một xung ra rất mảnh ở đầu ra của khâu so sánh. Góc điều khiển α được
xác định theo biểu thức:
U
m
. cosα = U
đk
.
⇒ α =
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
m
dk
U
U
arccos

Bằng cách thay đổi U

đk
từ giá trị -U
m
đến +U
m
, ta có thể điều chỉnh α từ 0 đến
π.
Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos được dùng trong các thiết bị chỉnh lưu
đòi hỏi chất lượng cao.
Trong bản đồ án này sử dụng mạch lực là sơ đồ chỉnh lưu 1 pha có điểm giữa
không đòi hỏi chất lượng 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 lưu điện áp ra được xác định theo biểu thức :
U
d
= U
do
. cosα.
trong đó α là thời điểm ta phát xung mở Thyristor.
Như vậy bằng cách thay đổi góc mở α ta sẽ thay đổi giá trị của điện áp ra và hệ thống
cho phép ta điều chỉnh góc α gọi là hệ thống điều khiển pha xung.
Sơ đồ cấu trúc của mạch điều khiển:





Đồng So

sánh
Dạng
xung
Khuếch
đại
xung

U
tựa
pha






Bộ
điều
khiển
U
đặt
U
ph
U
đk

- 9 -
Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hưng– Lớp TĐH2 – K46

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 α. Nó có góc pha liên hệ chặt chẽ với điện áp của mạch lực.
Khâu này thường 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 α
Điện áp tựa có dạng tam giác hoặc răng cưa, thưòng dùng là điện áp răng cưa.
3) Khâu so sánh : nhiệm vụ của khâu này là tiến hành so sánh điện áp tựa và
điện áp điều khiển. Thông thường thời điểm cân băng giữa hai điện áp này chính là
thời điểm phát xung mở van, tức là thời điểm xác định góc α.
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 lưu. 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 lượng đặt hoặc do công nghệ thiết bị chế tạo ) và được phản hồi để tạo ra
U
đk
để điều chỉnh góc α nhằm khống chế năng lượng ra tải theo yêu cầu.

III- Chọn các khâu của mạch điều khiển
1.Khâu đồng pha:

Khâu này thường sử dụng biến áp đồng pha hoặc phần tử ghép quang.
a)Sử dụng máy biến áp đồng pha:


u
1
~
u
2












- 10 -
Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hưng– Lớp TĐH2 – K46
Đặt điện áp u
1
= U
1m
. sinωt vào cuộn dây sơ cấp thì bên phía thứ cấp xuất hiện
điện áp xoay chiều u
2

= U
2m
. cosωt.




b)Sử dụng phần tử ghép quang:









Trong nửa chu kì dương 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 cưa 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:

- 11 -
Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hưng– Lớp TĐH2 – K46
Urc

Hình a

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 được nạp theo đường +E - R2 - C. Điện áp trên tụ
có dạng : u
c
(t) =E.(1- e
-t / τ
) trong đó τ = R.C. Sau khoảng thời gian t= (3 ÷4)τ
thì u
c
= E.
Dạng điện áp như hình vẽ(sau-tờ5)

Răng cưa này có dạng phi tuyến làm cho sự thay đổi của góc α 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 như sau:

- 12 -
Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hưng– Lớp TĐH2 – K46
Urc

Từ sơ đồ thay thế ta có :
ie = ic + ib ≈ ic
ie = iR3 =
const
R
UE
R

U
E
DZR
=
−
=
3

⇒ U
C
(t) =
constutti
C
dtti
C
CCC
=+=
∫
)0().(.
1
).(.
1

Kết quả là ta thu được dạng răng cưa tuyến tính như hình vẽ.
*Ngoài ra ta cũng có thể dùng mạch tạo xung sử dụng KĐTT như 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 thường được thực hiện bằng khuếch đại thuật toán.



U
tựa
U
đk
+E

-E

U
SS
U
tựa
U
đk
+E

-E

U
SS
So sánh 2 cửa

So sánh 1 cửa


- 13 -
Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hưng– Lớp TĐH2 – K46









*So sánh 2 cửa: thời điểm lật trạng thái là lúc U
tựa
=U
đk
Lúc U
tựa
> U
đk
thì ΔU = U
tựa
– U
đk
> 0 ⇒ U
ss
= +U
ramax

(U
ramax
).
Lúc U
tựa
< U
đk
thì ΔU < 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 được 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 lưu. 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 thường được dùng
cho các mạch chỉnh lưu dạng hình tia, tải thuần trở, tải động cơ.
*Xung kép: là 2 xung đơn, xung đầu tiên xác định góc α, xung thứ 2 đảm bảo
thông mạch van.Loại này hay dùng cho sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha.
*Xung rộng : là xung có độ rộng phụ thuộc vào góc điều khiển α, t
x
=π - α.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.
- 14 -
Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hưng– Lớp TĐH2 – K46
*Xung chùm : là một dạng xung rộng nhưng trong độ rộng (π - α) có một chùm
các xung tần số cao, khoảng 3 ÷ 12 kHz. Nó dễ thực hiện việc cách ly và được ứng
dụng nhiều trong thực tế.
Ta sẽ chọn xung điều khiển có dạng xung chùm.









Xungđơn
Xung kép
Xung rộng
Xung chùm

Để tạo được 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,
thường dùng bằng KĐTT hoặc vi mạch 555.

- 15 -
Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hưng– Lớp TĐH2 – K46




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.
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 ÷ 7 V và I
G
= 0.1 ÷ 1 A.
Khâu dạng xung cho xung ra có I
ra
= 3 ÷ 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

- 16 -
Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hưng– Lớp TĐH2 – K46

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 dưới 36V.
Hoạt động:
+ U
dx
≤ 0 (trước thời điểm α ) : T1 khoá ⇒ T2 khoá ⇒ I
G
= 0.
+ U
dx
> 0 (từ thời điểm α trở đi ): T1 mở ⇒ T2 mở, xuất hiện dòng I
G
,dòng
này tồn tại tới chừng nào mà U
DX
còn dương.
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.












b) Khuếch đại xung ghép gián tiếp qua máy biến áp xung:
Sơ đồ:

- 17 -
Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hưng– Lớp TĐH2 – K46


Với sơ đồ trên tụ C1 có vai trò giảm nhỏ công suất toả nhiệt của trandito và giảm
kích thước 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
=
⎟
⎟

⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
−
τ
t
e
R
E
1.
1
với τ = L1/R1.
Khi t ≈ 5τ thì i
L
=
1
R
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 lượng cuộn cảm được giẩi

phóng qua R1, i
1
giảm dần i
1
=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
−
τ
1
1.
1
T
e
R
E
.e
-t
trong đó T
1
là thời điểm mà U
DX
= 0

Dạng xung thu được như hình vẽ





Đặc điểm của máy biến áp xung là chỉ có thể truyền được xung chùm, xung đơn ,
xung kép, không truyền được 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.

6.Bộ điều chỉnh:
- 18 -
Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hưng– Lớp TĐH2 – K46
Nhiệm vụ của bộ điều khiển là tạo ra U
đk
dựa vào lượng 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 cưa

Điện áp đặt U
đặt+
và điện ấp phản hồi U
ph
được đưa 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
được 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 dương
Mạch tạo xung tần số cao 555 cho ta chuỗi xung có tần số từ 3 đến 12kHz (xung
thu được sau mạch 555 chỉ có tính chất định tính).
Hai tín hiệu U
ss
và U
chùm xung
cùng được đưa tới khâu AND 2 cổng vào .Khi
đồng thời có cả 2 tín hiệu dương U
CX
và U
SS
ta sẽ có xung ra U
DX
. Các xung ra làm
T3,T4 thông ,kết quả là ta nhận được chuỗi xung nhọn X
đk
trên biến áp xung để đưa
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 tương tự cho nửa còn lại của bộ chỉnh lưu

- 19 -
Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hưng– Lớp TĐH2 – K46





















- 20 -
Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hưng– Lớp TĐH2 – K46

V- Tính toán mạch điều khiển
Việc tính toán mạch điều khiển tiến hành từ tầng khuếch đại ngược 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 tương đối của lõi sắt
à
tb
=
3
6
0
10.8
30.10.25,1
3,0
.

−
−
==
Δ
Δ
H
B
μ

trong đó: à
0
= 1,25.10
-6
(H/m) : độ từ thẩm tương đối
- Thể tích lõi thép cần dùng
V =
2
110

B
IUSt
xxtb
Δ
μ
μ
= 2,505 cm
2
→ Chọn mạch từ có kích thước V = 3 cm
2
. Với thể tích đó ta có các kích thước như

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
==
Δ
=
−
−
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
- 21 -
Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hưng– Lớp TĐH2 – K46
→ đường kính dây quấn sơ cấp :

14,0

4
1
1
==
π
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
→ đường kính dây quấn sơ cấp :

14,0
4
2
2
==
π
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 : β = 40
+) Dòng làm việc colector : I
C
= I
1
= 0,1 A = 100 mA
+) Dòng làm việc Bazơ: I
B
= IB
C
/ β = 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
Ω?
- Các diode trong mạch điều khiển đều dùng loại 1N4009 có các tham số:
+) Dòng điện định mức : I
đm
= 10 mA
+) Điện áp ngược 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 như 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:
- 22 -
Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hưng– Lớp TĐH2 – K46

4. Chọn C
2
và R
4
:
- Điện trở R
4
dùng để hạn chế dòng điện đưa vào Bazơ của T4
- R
4
được chọn phải thoả mãn điều kiện :
R
4
> 8,1
10.5,2
5,4
3

log
==
−
B
ic
I
U
kΩ?
→ ta chọn R
4
= 2 kΩ?
- Chọn C
2
.R
4
= t
x
→
F
R
t
C
x
μ
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
>
Ω==
−
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
được
hạn chế để I
V
< 1 mA
Ta chọn R
P
= R
N
= 15 kΩ? , lúc đó I
V

= 0,8 mA

7. Tính chọn khâu đồng pha
- 23 -
Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hưng– Lớp TĐH2 – K46
- Điện áp tựa được hình thành do sự nạp điện của tụ C
1
- 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 kΩ?
- 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
+) β = 250
→ I
βmax
= 100/250 = 0,4 mA
- Chọn T1 là loại C828
- Điện trở R
2
hạn chế dòng và T2, được chọn sao cho
Ω=
−
=
−
≥ k
I
UE
R
B
DZ
15
4,0
612
2

→ chọn R
2
= 15 kΩ?
- 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 ≤=
→
Ω==≥ k
I
R
V
5,22
4,0
99
max
1

chọn R
1
= 25 kΩ?

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
. Như vậy, U
đặt
là điện áp điều khiển
khi hở mạch có U
ho
=60 V và thời điểm phát xung là ỏ
0

= ð/3.
Tại thời điểm phát xung có: U
đk
= U
đặt
= U
tựa
(ựt = ð/3)
- Dựa vào phương 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 ựt = ð/3 → U
tựa
=
4
3.100
.1200.1200
==
π
π
ω
ω
t

V
Chọn các điện trở : R
a
= R
f
= 10 kΩ?

9. Chọn khâu phản hồi
Ta có : U
ph
= I . R
S
Chọn R
S
thoả mãn U
ph
< U
đk

⇔
Ω==<
−3
10.6,6
600
4
I
U
R
dat
S

Chọn R
S
= 6 mΩ
- 24 -
Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hưng– Lớp TĐH2 – K46
10. Chọn nguồn nuôi
- Ta cần nguồn ±12 V để cấp cho các IC
- Sơ đồ nguyên lý:
- Dùng cầu chỉnh lưu 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:
- 25 -