Thiết kế nguồn hàn một chiều ding bộ chỉnh lưu có: Ihmax = 400 A; Udmax = 70V

ài học kinh nghiệm quí báu để cho những lần sau em thực hiện tốt hơn. Em xin được chân thành cảm ơn. Sinh viên thực hiện : Nguyễn Thiên Huy . Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Thiên Huy TĐH1_K46 -3- Chương I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HÀN ĐIỆN I. MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ HÀN ĐIỆN : Trong tất cả các phương pháp ghép nối các chi tiết với nhau thì phương pháp hàn điện có nhiều ưu việt hơn tất cả. Chính vì vậy mà ngày nay nó được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp , xây dựng , chế tạo máy ... và hàn điện đã trở thành một phần tất yếu không thể thiếu. Phương pháp hàn điện có những ưu điểm nổi bật sau : + Khả năng ghép nối các chi tiết cao với chất lượng mối hàn tốt . + Chi phí sản xuất hạ , cho năng suất lao động cao . + Ít tiêu hao nguyên vật liệu . + Bảo vệ môi trường vệ sinh công nghiệp . + Công nghệ đơn giản, khả năng cơ giới hóa và tự động hóa cao. I.1. PHÂN LOẠI CÁC PHƯƠNG PHÁP HÀN ĐIỆN : Có thể phân loại các phương pháp hàn điện theo sơ đồ tổng quát sau: Hàn điện Hàn hồ Hàn tiếp xúc Hàn tay Hàn tự động Hàn đường Hàn điểm Hàn nối Dưới lớp trợ dung Trong ga bảo vệ Một điểm hai mặt Hai mặt một điểm Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Thiên Huy TĐH1_K46 -4- Hình I-1 : Phân loại các phương pháp hàn điện . I .2. HỆ SỐ TIẾP ĐIỆN CỦA NGUỒN HÀN: Máy hàn là loại máy làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại . Đặc trưng quan trọng của chế độ này là hệ số tiếp điện . Hệ số tiếp điện TĐ% của nguồn hàn hồ quang được tính theo công thức TĐ%= minmax max nglv lv tt t + 100% Trong đó : tlvmax : Là thời gian hàn hết một que hàn ( máy hàn tay) hoặc thời gian hàn hết một lô điện cực (máy hàn tự động). Đây là thời gian làm việc max tngmin : Là thời gian thay xong một que hàn hoặc một lô điện cực và mồi được cho hồ quang cháy lại .Đây là thời gian nghỉ ngắn nhất . Để đảm bảo tuổi thọ cho máy thì khi vận hành phải luôn đảm bảo : Ih2.TĐ% = Ihđm2.TĐđm% =const Trong đó Ihđm và TĐđm% là các thông số có ghi trên nhãn máy. II. HÀN HỒ QUANG : Hàn hồ quang là phương pháp hàn sử dụng hiện tượng hồ quang điện. Hàn hồ quang được dùng với các phương pháp hàn bằng tay, hàn tự động hoặc bán tự động . II. 1. CÁC YÊU CẦU ĐỐI VỚI NGUỒN HÀN HỒ QUANG : Nguồn hàn hồ quang có thể sử dụng là nguồn một chiều hoặc nguồn xoay chiều nhưng phải đáp ứng được các yêu cầu sau : * Điện áp không tải phải đủ lớn để mồi được hồ quang : +Đối với nguồn hàn một chiều : Khi cực từ là kim loại yêu cầu : Uomin=(30÷40) v Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Thiên Huy TĐH1_K46 -5- Khi cực từ là than yêu cầu : Uomin=(40÷50) v. +Đối với nguồn xoay chiều yêu cầu : Uomin=(50÷60) v . * Đảm bảo an toàn khi vận hành nhất là ở chế độ ngắn mạch .Khi đó dòng ngắn mạch lớn có thể gây cháy dây hàn. Dòng ngắn mạch : Inm=(1,2÷1,4)Iđm. * Nguồn hàn phải đảm bảo cung cấp đủ công suất cho máy hàn. * Phải đảm bảo điều chỉnh được dòng hàn vì dòng hàn phụ thuộc vào đường kính que hàn. Dòng hàn được tính theo công thức sau : Ih=(40÷60)d. Trong đó: Ih : Dòng điện hàn: tính bằng (A). d : Đường kính que hàn : tính bằng (mm). * Đường đặc tính vôn_ampe của nguồn hàn phải phù hợp với từng phương pháp hàn: +Đối với phương pháp hàn hồ quang bằng tay thì đường đặc tính ngoài yêu cầu phải dốc (mềm) :đường 1 +Đối với phương pháp hàn hồ quang tự động thì đường đặc tính ngoài yêu cầu phải cứng : đường 2 (2) I®m2 I®m3 (1) (3) h Ih I®m1 o O U Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Thiên Huy TĐH1_K46 -6- Hình I-2 : họ đặc tính ngoài của nguồn hàn hồ quang . *Điện thế của nguồn hàn phải thay đổi nhanh theo chiều dài của hồ quang khi chiều dài hồ quang tăng lên nó phải tăng lên, khi chiều dài hồ quang giảm đi nó phải hạ thấp xuống . II.2. CÁC NGUỒN HÀN HỒ QUANG : Quá trình hàn hồ quang gồm có các công việc : + Đốt cháy hồ quang . + Cho điện cực tiến dần về phía hồ quang tuỳ theo sự nóng chảy vật hàn . + Giữ cho hồ quang cháy ổn định với một chiều dài nhất định. + Di chuyển que hàn theo đường hàn . Đường đậc tính nguồn hàn như sau: h Ih oU I®m3 (3) Imåi hq 20 30 40 50 60 70 Hình I- 3 : Đường đặc tính nguồn hàn . Có hai loại nguồn hàn hồ quang : nguồn hàn hồ quang xoay chiều và nguồn hàn hồ quang một chiều. II.2.1. Các nguồn hàn hồ quang xoay chiều: Khi hàn bằng điện xoay chiều người ta thường sử dụng biến áp hàn vì : +Dễ chế tạo, giá thành hạ . +Có thể tạo ra được dòng điện hàn lớn khoảng : 500÷2000 A. Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Thiên Huy TĐH1_K46 -7- Biến áp hàn thường có hai kiểu : II.2.1.a> Biến áp hàn (BAH) có cuộn kháng ngoài : Thường là máy biến áp hạ áp một pha, ở mạch thứ cấp có mắc nối tiếp một cuộn phản kháng : a W1 W2 Wck H×nh I-4: S¬ ®å nguyªn lÝ MBAH cã cuén kh¸ng ngoμi Cuộn kháng mắc nối tiếp với mạch thứ cấp của BAH có nhiệm vụ hạ thấp điện thế của BAH đến một trị số cần thiết để phát sinh hồ quang. Khi ngắn mạch ở mạch hàn cuộn kháng thu lấy điện thế thứ cấp của BAH để giảm dòng ngắn mạch xuống. II.2.1.b > Máy biến áp hàn kiểu hỗn hợp : Máy biến áp hàn có cuộn kháng liên hệ trực tiếp với mạch từ chính: Sơ đồ nguyên lí : a W2W1 H×nh I-5: S¬ ®å nguyªn lÝ MBAH kiÓu hçn hîp. Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Thiên Huy TĐH1_K46 -8- Với cả hai phương pháp trên để điều chỉnh dòng hàn ta thay đổi khe hở (a) khi khe hở (a) tăng thì từ trở của mạch từ tăng, từ thông giảm đi, điện tự cảm và trở kháng của nó giảm đi dòng điện hàn tăng lên và ngược lại : U2=Uhq +Uck +Trong khi làm việc dòng I2 tăng thì Uck cũng tăng làm Uhq giảm. +Khi ngắn mạch : I2=Inm ;Uhq=0. Kết quả khi điều chỉnh (a) cho ta họ đường đặc tính như sau : a a a 0 I I U 2 31 I I Ih h < < I II 0 (1) (2) (3) a1 a2 a 3 0 U01 U02 U03 u a a a2 31< < a3a2a1 nm1 nm2 nm3 nm1 nm2 nm3 Hình I-6: Họ đặc tính khi điều chỉnh khe hở (a)cuộn khử từ. II.2.2. Các nguồn hàn hồ quang một chiều : Nguồn hàn hồ quang một chiều được sử dụng cấp cho các máy hàn hồ quang tự động, bán tự động hoặc bằng tay. Có hai loại nguồn hàn một chiều : +Dùng máy phát hàn một chiều . +Dùng bộ chỉnh lưu biến đổi dòng xoay chiều thành dòng một chiều cấp cho máy hàn . II.2.2.a.> Máy phát hàn một chiều : Các máy phát hàn một chiều phải đáp ứng đượcyêu cầu là phải tạo ra họ đặc tính ngoài dốc cho phương pháp hàn bằng tay và mềm cho hàn tự động. có thể sự dụng các loại máy phát hàn một chiều sau: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Thiên Huy TĐH1_K46 -9- a.1> máy phát hàn một chiều có cuộn kích từ độc lập và cuộn khử từ mắc nối tiếp : Sơ đồ nguyên lí : + - w2 f w1u 2 cm 1 VR +- w1: Cuén kÝch tõ ®éc lËp. w2: Cuén khö tõ nèi tiÕp. +Cách 1 : Thay đổi số vòng dây của cuộn W2 bằng chuyển mạch CM. Đây là phương pháp điều chỉnh thô, dòng điện sẽ thay đổi đột ngột (nhảy cấp ) do vòng dây W2 sẽ thay đổi đột ngột:(hình :I-7a) +Cách 2 : Thay đổi dòng kích từ Ikt của W1bằng chiết áp VR1. Đây là phương pháp điều chỉnh tinh dòng điện sẽ thay đổi tuyến tính liên tục : (Hình : I- 7b) ww i 0 0 u i i i iu u u i i i < < H×nh :1-7a H×nh :1-7b kt3 kt2 kt1 03 02 01 0 u u h h 2221 iiiii nm2 nm3nm1 kt3kt2kt1 nm2nm1 w > w 2221 Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Thiên Huy TĐH1_K46 -10- HìnhI-7 : Họ đặc tính ngoài và đặc tính điều chỉnh của máy hàn một chiều. 10a.2> Máy phát hàn một chiều có cuộn kích từ song song cuộn khử từ nối tiếp : Sơ đồ nguyên lí : f + rv w1 2 w2 cm 1 w1: Cuén kÝch tõ. w2: Cuén khö tõ . H×nh vÏ : I-8 Phương pháp điều chỉnh và họ đặc tính ngoài tương tự như mục :a.1> a.3> Máy phát hàn một chiều có cực từ rẽ: Để điều chỉnh dòng hàn ta điều chỉnh VR. Khi đó ta điều chỉnh được cả dòng kích từ trong cuộn kích từ chính W1 và cuộn phụ W2 . Tạo ra đường đặc tính ngoài dốc. Sơ đồ nguyên lí : Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Thiên Huy TĐH1_K46 -11- F W1 W2 VR A C Z - + a.4> Nhận xét : Mặc dù có một số ưu điểm nhưng khi sử dụng máy phát hàn một chiều để hàn hồ quang thường gặp những khó khăn sau : + Quá trình điều chỉnh khá phức tạp .Đối với những máy có công suất lớn đôi khi phải sủ dụng những động cơ riêng để khởi động và điều chỉnh. +Gây tiếng ồn lớn khi làm việc , không an toàn khi vận hành . +kích thước kồng kềnh , cần bảo dưỡng luôn luôn dẫn đến chi phí vận hành cao trong khi hiệu suất lại không cao . Ngày nay do ứng dụng tiến bộ KHKT điện tử dẫn đến sự phát triển của công nghiệp và khả năng tự động hóa trong sản xuất mà các máy phát hàn ít được sử dụng và dần bị thay thế trong các nhà máy, xí nghiệp thay vào đó là các loại máy hàn sử dụng các bộ biến đổi chỉnh lưu. II.2.2.b.> Nguồn hàn một chiều dùng bộ chỉnh lưu : *Cấu tạo : gồm hai bộ phận chính : Máy biến áp hàn và bộ chỉnh lưu. +Máy biến áp hàn : là loại máy biến áp đặc biệt chuyên dụng tạo ra điện áp nhỏ và dòng điện lớn .Công suất lớn . +Bộ chỉnh lưu : có thể sử dụng các sơ đồ chỉnh lưu một pha hoặc ba pha ; đối xứng hoặc không đối xứng .Ta thường sử dụng các sơ đồ chỉnh lưu sau: + Cầu một pha có điều khiển . Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Thiên Huy TĐH1_K46 -12- + Cầu ba pha có điều khiển đối xứng hoặc không đối xứng . + Sơ đồ tia ba pha có điều khiển . + Sơ đồ sáu pha hình tia. II. hàn hồ quang tự động . Quá trình hàn gồm có các công việc : +Đốt cháy hồ quang . +Cho điện cực tiến dần về phía hồ quang tùy theo sự nóng chảy . +Giữ cho hồ qang cháy với một chiều dài nhất định . +Di chuyển que hàn theo đường hàn . Hàn tự động thì tất các công việc trên đều được thực hiện bằng máy móc . Hàn nửa tự động thì một số công việc được thực hiện bằng máy một số được thực hiện bằng tay . Hàn hồ quang tự động được dùng đặc biệt trong các ngành chế tạo tàu biển, máy bay , nồi hơi , ... với chất lượng mối hàn tốt , ngọn lửa hồ quang cháy ổn định và chống xâm thực của không khí vào mối hàn. *Trong máy hàn có hai hệ thống truyền động riêng biệt : +Hệ truyền động đẩy điện cực vào vùng hàn:Sử dụng hệ máy phát_ Động cơ hoặc hệ bộ biến đổi tiristor _Động cơ ( T _ Đ ). +Hệ truyền động di chuyển xe hàn. *Các hệ truyền động trên máy hàn hồ quang tự động yêu cầu điều chỉnh tốc độ êm , phạm vi điều chỉnh tốc độ tới D=10:1. III. hàn tiếp xúc . Hàn tiếp xúc là phương án lợi dụng hiệu ứng nhiệt của dòng điện chảy qua điểm tiếp xúc giữa hai tấm kim loại để tạo ra sự dính kết giữa hai tấm kim loại . Có ba cách hàn tiếp xúc điển hình : + Hàn điểm : để hàn các tấm kim loại mỏng . + Hàn nối : để hàn ống hoặc thanh . + Hàn đường : để hàn các thùng chứa . Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Thiên Huy TĐH1_K46 -13- Yêu cầu đối với nguồn hàn : Phải có máy biến áp đặc biệt với : +Nguồn sơ cấp : 380 v ; 50 Hz ; S= (25 ÷50)KVA +Thứ cấp : (1,8÷36 )v . +Dòng hàn : Ih ≥ 10 .103 A. + Phạm vi điều chỉnh dòng hàn rộng : D=10÷1. Có hai cách điều chỉnh dòng hàn : +Dùng biến áp hàn tự ngẫu có thể thay đổi số vòng dây cuộn sơ cấp. +Dùng bộ điều áp xoay chiều tiristor. Chương II: tính chọn phương án I . nhận xét chung : Ngày nay với trình độ khoa học ngày càng hiện đại, việc ứng dụng các thành tựu khoa học kỹ thuật vào trong sản xuất ngày càng được mở rộng. Trong đó các máy hàn điện dùng các bộ chỉnh lưu được ưu tiên sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, và đã đáp ứng được các sản xuất và đổi mới công nghệ . Việc dùng các bộ chỉnh lưu có các ưu điểm nổi bật sau : +Có thể tạo ra bộ nguồn có công suất lớn . +Tổn thất điện áp bé : 1,5V. +Độ nhạy của hệ thống cao vì quán tính từ bé.Độ ổn định dòngvà áp cao +Hiệu suất cao, không gây ồn ào, chi phí vận hành, bảo dưỡng và sửa chữa thấp . Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Thiên Huy TĐH1_K46 -14- +Kích thước bé nên thuận lợi khi làm việc ở những nơi cần di chuyển có chấn động . Tuy nhiên các bộ chỉnh lưu cũng có những hạn chế sau: +Chi phí đầu tư ban đầu lớn . +Đòi hỏi người sử dụng phải có một trình độ nhất định . Hệ thống chỉnh lưu được chia thành nhiều loại: +Một pha hoặc ba pha . +Đối xứng hoặc không đối xứng . +Có điều chỉnh hoặc không có điều chỉnh. Tuy nhiên trong phạm vi đề tài này em xin trình bày ba phương án dùng bộ chỉnh lưu có thể dùng khi thiết kế nguồn hàn một chiều sau: +Dùng sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển . +Dùng sơ đồ cầu ba pha có điều khiển không đối xứng . +Dùng sơ đồ cầu ba pha có điều khiển đối xứng. II. phương án 1 :Dùng bộ chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển: II. 1. Sơ đồ nguyên lí : Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Thiên Huy TĐH1_K46 -15- II. 3. Các thông số của mạch : +Giá trị trung bình của điện áp ngay sau mạch van chỉnh lưu: Ud = απωπ απ α CosUtdtSinU 22 2221 =∫+ ; +Giá trị dòng trung bình ra tải : Id = d d R U ; +Trị số dòng trung bình qua các tiristor : Iv = 2 dI ; +Trị số dòng trung bình của cuộn thứ cấp MBA: I2 = dI22 π ; +Công suất một chiều trên tải : Pd = 0,9.U2.Id ; +Công suất tính toán của MBA: Sba = 1,23.Pd ; Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Thiên Huy TĐH1_K46 -16- +Điện áp ngược lớn nhất đặt lên các tiristor : Ungmax =1,41.U2 ; II.4. Nhận xét : a>Ưu điểm : +Sơ đồ mạch lực đơn giản dùng hết ít tiristor; +MBAlà loại một pha có công suất MBA so với suất một chiều nằm trong giớ hạn cho phép ; giá thành thấp. +Điện áp đặt lên các tiristor là thấp , mạch làm việc ổn định . b>Nhược điểm : +Khả năng điều chỉnh điện áp kém. +Công suất đạt được là thấp do chỉ sử dụng một pha dòng điện nên dễ gây mất đối xứng lưới điện . c>Phạm vi ứng dụng : Sơ đồ chỉng lưu cầu một pha thường được sử dụng đối với những máy hàn có công suất nhỏ yêu cầu về điều chỉnh dòng điện không cao, yêu cầu chất lượng mối hàn không cao . III . phương án 2 :Dùng bộ chỉnh lưu cầu có điều khiển ba pha không đối xứng: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Thiên Huy TĐH1_K46 -17- III.3. Các thông số của mạch : +Giá trị trung bình của điện áp ngay sau mạch van chỉnh lưu: Ud = ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ + 2 163 2 α π CosU ; +Giá trị dòng trung bình ra tải : Id = d d R U ; +Trị số dòng trung bình qua các tiristor : Iv = 3 dI ; +Trị số dòng trung bình của cuộn thứ cấp MBA: I2 = dI3 2 ; +Công suất một chiều trên tải : Pd = 2,34.U2.Id ; Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Thiên Huy TĐH1_K46 -18- +Công suất tính toán của MBA: Sba = 1,05.Pd ; +Điện áp ngược lớn nhất đặt lên các tiristor, điôt : Ungmax = 6 .U2 ; III.4. Nhận xét : a>Ưu điểm : +Sơ đồ mạch lực đơn giản dùng cả điôt và tiristor; +Dùng ba tiristor nên mạch điều chỉnh đơn giản ; +Điện áp ra ít đập mạch chất lượng điện áp tương đối tốt; b>Nhược điểm : +Khả năng điều chỉnh điện áp không cao ; +Sử dụng máy biến áp ba pha nên giá thành tương đối cao ; +Điện áp ngược đặt lên các van lớn nên phải có mạch bảo vệ ; c>Phạm vi ứng dụng : Sơ đồ chỉng lưu cầu ba pha không đối xứng thường được sử dụng đối với những máy hàn có công suất trung bình, lớn, có chất lượng khá tốt, giá thành vừa phải . IV . phương án 3: Dùng bộ chỉnh lưu cầu có điều khiển ba pha đối xứng: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Thiên Huy TĐH1_K46 -19- IV.3. Các thông số của mạch : +Giá trị trung bình của điện áp ngay sau mạch van chỉnh lưu: Ud = απ CosU 2 63 ; +Giá trị dòng trung bình ra tải : Id = d d R U ; +Trị số dòng trung bình qua các tiristor : Iv = 3 dI ; +Trị số dòng trung bình của cuộn thứ cấp MBA: I2 = dI3 2 ; Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Thiên Huy TĐH1_K46 -20- +Công suất một chiều trên tải : Pd = 2,34.U2.Id ; +Công suất tính toán của MBA: Sba = 1,05.Pd ; +Điện áp ngược lớn nhất đặt lên các tiristor : Ungmax = 6 .U2 ; III.4. Nhận xét : a>Ưu điểm : +Sơ đồ mạch lực dùng hết nhiều tiristor nhất trong ba phương án nên việc thiết kế mạch điều khiển sẽ phức tạp nhất ; +Điện áp ra ít đập mạch, khả năng điều chỉnh dòng tốt chất lượng điện áp ra cao ; b>Nhược điểm : +Sử dụng máy biến áp ba pha nên giá thành tương đối cao ; +Điện áp ngược đặt lên các van lớn nên phải có mạch bảo vệ ; c>Phạm vi ứng dụng : Sơ đồ chỉng lưu cầu ba pha đối xứng thường được sử dụng đối với những máy hàn có công suất trung bình, lớn, có yêu cầu cao về điều chỉnh dòng hàn. Thực chất đây là một phương án tốt . IV. lựa chọn phương án thiết kế mạch lực: Với yêu cầu của đề tài là thiết kế máy hàn một chiều có : +Điện áp tải : Ud =70 V ; +Dòng hàn cực đại : Ihmax =400 A ; Qua quá trình phân tích ba phương án chỉnh lưu ở trên. Để đảm bảo các yêu cầu về nguồn hàn, đảm bảo tính thông dụng và kinh tế trong quá trình chế tạo em quyết định chọn phương pháp chỉnh lưu cầu ba pha không đối xứng để thực Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Thiên Huy TĐH1_K46 -21- hiện đề tài thiết kế máy hàn hồ quang một chiều theo yêu cầu của đề tài. Đây cũng là nội dung chính của đồ án này . Chương II: tính toán thiết kế mạch lực I. Sơ đồ mạch lực : Qua quá trình phân tích lựa chọn phương án thiết kế trong chương II ta xây dựng được sơ đồ mạch lực như sau : Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Thiên Huy TĐH1_K46 -22- Trong sơ đồ có sử dụng : +AT:(Aptômát) Dùng để đóng cắt ngồn, tự động bảo vệ khi quá tải và ngắn mạch đầu ra bộ biến đổi, ngắn mạch thứ cấp MBA. +CK : (Cuộn kháng điện ) là cuộn kháng có lõi thép dùng để hạn chế dòng ngắn mạch . +Rsh: (Shunt điện trở) thực hiện phản hồi âm điện áp để điều chỉnh dòng điện và bảo vệ quá tải . +BAH :(Biến áp hàn) Là máy biến áp ba pha có sơ đồ đấu dây Δ/Y làm mát bằng không khí . +Bộ chỉnh lưu : Dùng chỉnh lưu cầu ba pha không đối xứng . Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Thiên Huy TĐH1_K46 -23- II. tính toán máy biến áp : Yêu cầu : +Điện áp ra của chỉnh lưu : Ud = 70 V; +Dòng điện hàn cực đại : Ihmax= 400 A; Điện áp chỉnh lưu khi không tải : Udo=Ud + ΔUd Trong đó : ΔUd =ΔUba + ΔUv + ΔUck ΔUv : Sụt áp trên van dẫn ở đây gồm một tiristor và một điốt : ΔUv =2 V; ΔUck : Sụt áp trên điện kháng : ΔUck =10%Ud =10%.70 = 7V; ΔUba : Sụt áp bên trong máy biến áp thường lấy : ΔUba =(5% ÷ 10%)Ud ; Chọn : ΔUba =5%Ud= 5%.70 =3,5 V; Vậy : ΔUd = 3,5 + 2 + 7 = 12,7 V ; Suy ra : Udo =70 +12,5 =82,5 V ; II.1) Các thông số cơ bản của máy biến áp: Ta có công thức : Ud = ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ + 2 163 2 α π CosU ; Chọn góc mở α = 300 ứng với giá trị Udmax. * Điện áp thứ cấp : U2 = )1(63 2. α π Cos U d + = )35cos1(63 .2.7,82 0+ π = 39 (V) * Giá trị hiệu dụng dòng thứ cấp biến áp : I2 = dI3 2 = 0,816 . 400 = 326,4 A Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Thiên Huy TĐH1_K46 -24- * Công suất tải : Pd =Udo.Id =82,7.400 = 33KVA * Công suất máy biến áp :Sba=1,05 . Pd = 1,05 .33 =35KVA * Điện áp sơ cấp máy biến áp :U1=380 V * Hệ số biến áp : Kba =U2/U1 = 39/380 =0,103 * Dòng sơ cấp biến áp :I1 = Kba.I =326,4 .0,103 =33,5 (A) II.2) Tính toán các kích thước chủ yếu của MBA lực : II.2.a) Tính toán mạch từ: *Tiết diện trụ : được tính theo công thức : Q = k. fm Sba . Trong đó : +k: Hệ số phụ thuộc vào phương thức làm mát .Thường k=5÷6. Ta chọn k=6. +Sba: Công suất máy biến áp (VA) : Sba=35000VA. +m: Số trụ : m=3. +f: Tần số dòng xoay chiều : f=50 Hz Thay số : Q = 6. 50.3 35000 =92 cm. Với máy biến áp có công suất Sba =35 KVA có thể thiết kế loại trụ hình chữ nhật như sau : a: Chiều rộng trụ . Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Thiên Huy TĐH1_K46 -25- b: Chiều dày trụ . h: Chiều cao trụ. Ta có : Q = a.b Để đảm bảo về mặt kĩ thuật ta chọn a/b = 1,25. Ta được : a=8,5cm. b = 10,8cm. Tiết diện trụ tính lại : Q=a.b = 8,5.10,8 = 91,8cm . *Chiều cao trụ : Tính theo công thức kinh nghiệm : h = β ππ Q.4. ; Trong đó : Q: Tiết diện hiệu quả của trụ . β : hệ số quan hệ giữa chiều cao và chiều rộng của MBA . Thường lấy β=1,15÷ 1,35. Ta chọn β=1,35. Vậy : h = 35,1 14,3 8,91.4.14,3 = 25cm. Mạch từ của máy biến áp gồm các lá thép kỹ thuật điện ghép lại. Ta chọn loại thép cán nguội mã hiệu 3404 do nga sản xuất có hàm lượng silic cao . Tra theo bảng 45- tài liệu thiết kế MBA điện lực - Phan tử Thụ ta có các thông số sau : +Suất tổn hao sắt : p =0,675 W/Kg. +Mật độ từ cảm : B = 1,2 tesla. Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Thiên Huy TĐH1_K46 -26- +Bề dày lá thép : 0,35 mm. + Tỉ trọng thép : γFe =7,65 Kg/dm3. * Trọng lượng trụ : GT = m . Q . γFe . h . 10-3 (Kg) . = 3 .91,8 .7,65 .25 .10-3 = 52,7 Kg. Các lá thép được dập hình chữ I và ghép theo sơ đồ : Sau khi ghép mạch từ có dạng : ở đó : b’ =b . k = 10,8 .1,05 = 11,3 cm . k : Hệ số ép chặt. II.2.b) Tính toán dây quấn : *Điện áp một vòng dây : Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Thiên Huy TĐH1_K46 -27- Uv = 4,44 . B . Q .f . 10-4 (v). Trong đó : +B : Mật độ từ cảm : B = 1,2 tesla. +Q: Tiết diện của trụ: Q = 91,8cm. +f: Tần số dòng xoay chiều : f=50 Hz. Thay số : Uv = 4,44 . 1,2 . 91,8 . 50 . 10-4 = 2,4 V. (1).Dây quấn thứ cấp : *Số vòng dây một pha cuộn thứ cấp : W2 = 4,2 392 = vU U = 17 vòng . +Chọn mật độ dòng điện là : J = 2,5 A/mm2. *Tiết diện dây quấn thứ cấp : S2= == 5,2 4,3262 J I 130,56 (mm2). Chọn dây quấn MBA co tiết diện hình chữ nhật có bọc sợi thủy tinh để cách điện . Mã hiệu dây ΠC do nga sản xuất . Tra theo bảng 22- tài liệu thiết kế MBA điện lực Phan tử Thụ ta được : +Tiết diện dây : 3,15 x 20 x 2 (mm). Kể cả cách điện : 3,56 x 20,5 x 2 (mm). +Tỷ trọng đồng : cuγ =8,9 Kg/dm3. *Số vòng dây một lớp cuộn thứ cấp : Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Thiên Huy TĐH1_K46 -28- W21 = 1095,005,2 1.225. .2 2 =−=− xk b hh c a vòng. Trong đó : +ha=1cm: Cách điện với gông. +b2 = 2,05cm: kích thước dây. +kc =0,95 : hệ số ép chặt . *Số lớp : n2= == 10 17 ¦ 21 2 W W 1,7 → cuộn thứ cấp có hai lớp : 10vòng +7vòng. *Bề dày cuộn thứ cấp : Bd2= 2.(2.3,65)+0,5 =15,1mm =1,51cm. +Cách điện giữa hai lớp dây:0,5mm. +Bề dày khuân quấn dây: 1mm. Do sai số khi dập lá thép nên khuân quấn cần rông hơn mạch từ .Chiều rộng về cả hai bên:1+1=2mm. Khoảng cách từ trụ tới cuộn thứ cấp :=1+1+0,5 =2,5mm = 0,25cm. *Chu vi trung bình cuộn thứ cấp : Ctb2 = 2.[(8,5 + 2.0,25 + 1,51 ) +(11,3 +2.0,25 +1,51)] =47,64 cm. *Chiều dài dâyquấn cuộn thứ cấp: l2 = W2 . Ctb2 .2 = 17 . 47,64 . 2 = 1619,76cm =16,2m. Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Thiên Huy TĐH1_K46 -29- (2). Dây quấn sơ cấp : *Số vòng dây một pha cuộn sơ cấp : W1 = 4,2 3801 = vU U = 158 vòng. *Tiết diện dây quấn cuộn sơ cấp : S1 = 21 4,135,2 5.33 mm J I == Chọn dây quấn sơ cấp : 2 x 7,1 (cm). Kể cả cách điện : 2,5 x 7,6 (cm). *Số vòng dây một lớp cuộn sơ cấp : W11 = 95,076,0 1.225 − =28 vòng. *Số lớp : n1 =158/28 =5,6. → phải có 6 lớp :(5x28vòng)+(1x18vòng). *Bề dày cuộn sơ cấp : Bd1 = 6.2,5 + 5.0,5 =17,5mm =1,75cm. +Cách điện giữa hai lớp dây:=0,5mm. +Cách điện giữa cuộn thứ cấp và cuộn sơ cấp: a12=1cm. *Khoảng cách từ trụ tới cuộn sơ cấp : = 2,5 + 15,1 + 10 = 27,6mm. *Chu vi trung bình cuộn thứ cấp : Ctb1 = 2.[(8,5 + 2.2,76 + 1,75 ) +(11,3 +2.2,76 +1,75)] =68,68 cm. *Chiều dài dây quấn cuộn thứ cấp: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Thiên Huy TĐH1_K46 -30- l1 = W1 . Ctb1 = 158 . 68,68 = 10851cm = 109 m. +Khoảng cách cách điện ngoài cùng của các cuộn dây của các pha là : a22 = 1,5 cm. *chiều rộng cửa sổ : c = (2,76 + 1,75 ).2 + 1,5 = 10,5 cm. (3). Kích thước các lá thép : Mạch từ MBA gồm ba loại lá thép : 1 ; 2 ; 3; như đánh dấu trên hình vẽ. *Lá 1 : +Kích thước : h x a = 25cm x 8,5cm. +Số lượng : = 35,0 b . 3 = 35,0 8,10 . 3 = 93 lá. *Lá 2 : +Kích thước : L2 x a = (2c +a) = 29,5cm x 8,5cm. +Số lượng : = 35,0 b .1 = 35,0 8,10 .1 = 31 lá. *Lá 3: +Kích thước :L3 x a = (c + a) x a = 19cm x 8,5cm. +Số lượng : = 35,0 b x 2 = 35,0 8,10 .2 = 62 lá. II.2.c). Trọng lượng máy biến áp: *Trọng lượng khối lá thép 2 : Gg2 = 1 x (L2 x a x b) x γFe x 10-3 =29,5 . 8,5 . 10,8 . 7,65 . 10-3=20,7 Kg. Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Thiên Huy TĐH1_K46 -31- *Trọng lượng khối lá thép 3 : Gg3= 2x(L3x a x b) x γFe x 10-3 = 2 .19,85 .8,5 .10,8.7,65. 10-3=26,7 Kg. *Trọng dây quấn cuộn sơ cấp : Gd1 = 3 x (l1 x 0,2 x 0,71) x γCu x 10-3 = 3. ( 10900 . 0,2 . 0,71 ) . 8,9 . 10-3 = 41,3 Kg. * Trọng lượng dây quấn cuộn thứ cấp : Gd1 = 3 x (l2 x 0,315 x 2,05) x γCu x 10-3 = 3. ( 1620 . 0,315 . 2,05 ) . 8,9 . 10-3 = 28,4 Kg * Trọng lượng máy biến áp: Gba = GT + Gg2 + Gg3 + Gd1 + Gd2 = 52,7 + 20,7 + 26,7 + 41,3 + 28,4 = 169,8 Kg ≈170 Kg. II.3. Tính toán ngắn mạch: II.3.a) Tổn hao ngắn mạch : *Tổn hao đồng trong dây cuốn sơ cấp : ΔPCu1 = 2,4 . J12 . Gd1 = 2,4 . 2,52 . 41,3 = 620 W. Trong đó : J1 = 2,5 A/mm2 Mật độ dòng điện. Gd1 = 41,3 Kg Trọng lượng dây sơ cấp . *Tổn hao đồng trong dây cuốn thứ cấp : Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Thiên Huy TĐH1_K46 -32- ΔPCu2 = 2,4 . J22 . Gd2 = 2,4 . 2,52 . 28,4 = 426 W. *Tổng tổn hao đồng : ΔPCu1 = ΔPCu1 + Δ PCu2= 620 + 426 = 1046 (W). *Các tổn hao phụ : Theo công thức kinh nghiệm: ΔPt = 10.K .S = 10 . 0,01 . 35 =3,5 (W). Trong đó : +K=0,01 hệ số kinh nghiệm . +S=35 KVA. *Tổn hao ngắn mạch của máy biến áp : ΔPn = ΔPCu1 . Kf1 + ΔPCu2 . Kf2 + ΔPt = 620 . 1,05 + 426 . 1,05 + 3,5 = 1101,8 (w). Trong đó : Kf1 = Kf2 = 1,05 là các hệ số. Thường lấy từ 1,01 đến 1,05. II.3. b.) Điện áp ngắn mạch : *Thành phần ngắn mạch tác dụng : Unr = S.10 nΔΡ % = 35.10 8,1101 % = 3,15%. *Thành phần ngắn mạch phản kháng : Unx = 2 310......9,7 V RRt U KaSf −β % Trong đó : Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Thiên Huy TĐH1_K46 -33- +St :Dung lượng trên một trụ. St= Sba = 35/3 (KVA). +KR : Hệ số Ragowski : KR = 0,93 0,98 . Ta chọn KR = 0,95. +β = 1,35. +aR : Chiều rộng qui đổi từ trường tản : aR= a12 + 3 21 dd BB + =10 + 3 5,171,15 + = 20,8(mm) Thay số : =2,08(cm). Unx = 32 10.95,0.4,2 08,2.35,1).3/35.(50.9,7 − = 2,13% *Điện áp ngắn mạch toàn phần : Un% = 8,313,215,3 2222 =+=+ nxnr UU %. III. tính chọn van và các thiết bị bảo vệ : III.1. Tính chọn van : Việc tính chọn van phụ thuộc rất nhiều vào các thông số cơ bản của mạch lực và các điều kiện làm mát van vì điều kiện làm mát van có vai trò quyết định đến hiệu suất sử dụng van: +Làm mát tự nhiên bằng không khí : Hiệu suất : H = 25%. +Dùng cánh tản nhiệt được quạt mát với tốc độ gió 16 (m/s): H = 35%. +Cho dầu biến thế chảy qua cánh tản nhiệt : H = 95%. ở đây ta chọn phương thức làm mát thứ hai với : H = 35 % Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Thiên Huy TĐH1_K46 -34- *Điện áp ngược lớn nhất mà tiristor phải chịu : Ungmax = 6 . U2 = 6 . 39 = 95,5(V). *Điện áp ngược của van cần chọn là: Ungv = Kdtu . Ungmax = 1,4 . 95,5 = 133(V). Trong đó : Kdtu =1,4 là hệ số dự trữ điện áp . *Dòng điện làm việc của van: Ilv = 3 400 3 =dI =133,7 (A). *Dòng điện định mức của van cần chọn : Iđmv = =H KI dtIlv . 35 100.7,133.4,1 =534 (A). Trong đó: KdtI=1,4 hệ số dự trữ dòng. Chọn loại tiristor mã hiệu : ΤΠ - 630 - 3 do liên xô sản xuất có các thông số sau: *Điện áp ngược cực đại : Ungmax = 300 V. *Dòng điện định mức : Iđmv = 630 A. *Dòng điện xung điều khiển : Ig = 0,4 A. *Điện áp xung điều khiển : Ug = 8V. *Thời gian khóa : toff = 120μs *Tốc độ biến thiên điện điện áp : du/dt = 100 v/μs *Tốc độ biến thiên dòng điện : di/dt = 50 A/μs *Sụt áp trên van : ΔUT = 1 v. Chọn loại điot mã hiệu : B - 600 - 30.có các thông số: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Thiên Huy TĐH1_K46 -35- *Điện áp ngược cực đại : Ungmax = 300 V. *Dòng điện cực đại : Imax = 600 A. *Sụt áp trên điot : ΔUD = 1 V. Chọn điện trở và aptômat: ở đây: * RSh ta dùng loại sunt : 500A – 75 mV . * AT chọn loại : AT - 50 A . có: U = 600 V ; Imax = 50 A. III.2. Baỏ vệ van Các van bán dẫn rất nhậy cảm với điện áp quá lớn so với điện áp định mức ta gọi đó là quá diện áp . Có hai nguyên nhân gây nên sự quá diện áp : *Nguyên nhân bên ngoài : Do sự thay đổi đột ngột mạch điện cảm với các nguyên nhân ngẫu nhiên mhư : Cắt không tải với một máy bién áp trên đường dây, Khi có sấm sét ... *Nguyên nhân bên trong : Do sự tích tụ điện tích trong các lớp bán dẫn khi ta khóa Tiristor bằng điện áp ngược. Các điện tích này đổi ngược hành trình tạo ra dòng điện ngược trong khoảng thời gian rất ngắn (Có hình) Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Thiên Huy TĐH1_K46 -36- Sự thay đổi này làm giữa anốt và catốt của van xuất hiện quá điện áp : Để bảo vệ van khi quá điện áp ta dùng mạch RC đấu song song với van. Sơ đồ mạch bảo vệ van khi quá điện áp : Mạch này nhằm bảo vệ quá điện áp do tích điện khi chuyển mạch từ trạng thái mở sang trạng thái khóa gây nên : Uqđa=L.(di/dt). Do tải của ta có tính chất điện cảm nên khi có RC mắc song song với các van dẫn tạo ra mạch vòng phóng điện tích quá độ trong quá trình chuyển mạch van nên cac Tiristor không bị quá điện áp . Để xác định giá trị R,C ta trải qua các bước ; *Bước 1: Xác định hệ số quá điện áp : k = im imp Ub U . Trong đó : k là hệ số quá điện áp Uimp Giá trị cực đại của điện áp ngược đặt lên vai (Uimp của từng loại van được tra trong sổ tay tra cứu). Uim Giá trị cực đạ của điện áp ngựơc thực tế đặt lên van b hệ số dự trữ điện áp : b =1÷2 *Bước 2: Xác định các thông số trung gian: C*min(k) ; R*max(k) ; R*min(k) ; (sử dụng toán đồ hình ) *Bước 3: Tính: dt di max khi chuyển mạch. *Bước 4: Xác định điện lượng tích tụ: Q = f.(di/ dt) . Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Thiên Huy TĐH1_K46 -37- (có thể sử dụng các đường cong trong sổ tay tra cứu) *Bước 5: Tính các thông số trung gian : C = C*min. imU Q2 R*min Q UL im 2 . ≤≤ R R*min Q UL im 2 . ; trong đó L là điện cảm của mạch R_L_C. Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Thiên Huy TĐH1_K46 -38- iv. tính toán cuộn kháng điện Trong quá trình hàn dòng điện hàn sẽ tăng đột ngột từ giá trị I=0 đến giá trị Ih có thể làm hư hỏng các thiết bị có trong mạch .Để khắc phục điều đó ta dùng cuộn kháng điện mắc nối tiếp với mạch để hạn chế tốc độ tăng dòng.Khi dòng hàn tăng nhanh thì trong cuộn kháng xuất hiện một suất điện dộng tự cảm có chiều chống lại sự biến thiên của dòng điện nên làm giảm tốc độ tăng dòng . Có thể sử dụng cuộn kháng có lõi thép hoạc không có lõi thép.ở đây ta sẽ thiết kế cuộn kháng có lõi sắt. Các thông số : *Sụt áp trên cuộn kháng : Uck = 10% . Ud = 0,1 . 70 = 7 V. *Dòng điện qua cuộn kháng : Ick = Id = 400 A. *Công suất kháng điện : Sck = Uck . Ick = 7 . 400 =2800 (VA) = 2,8 KVA. *÷ết cấu mạch từ của cuộn kháng như sau : Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Thiên Huy TĐH1_K46 -39- Dây quấn được quấn trên trụ T ở giữa : Có các thông số : *Diện tích trụ : Qck = (4 ÷ 6) fm Sck . =(4 ÷ 6) 50.1 2800 =(30 ÷ 40) cm2. Chọn tiết diện của trụ :Q=45 cm2. Hệ số điền đầy : k = 0,95. *Tiết diện hình học của trụ là: Qhh = Qck : k = 45 : 0,95 = 47,4 cm2. kích thước trụ : 6(cm) x 8(cm). Chọn mật độ từ cảm của trụ : BT = 0,7 tesla. *Điện áp trên một vòng dây cuộn kháng : Uvck = 4,44 . BT . Qck .f . 10-4 (v). = 4,44 . 0,7 . 45 . 50 . 10-4 = 0,7 V. *Số vòng dây cuộn kháng : Wck = Uck : Uvck = 7:0,7 = 10vòng. *Mật độ dòng điện qua cuộn kháng : J = 2,5 A/mm2 *Tiết diện dây cuốn : Sdck = Ick: J = 400 : 2,5 = 160 mm2 . Chọn dây quấn cuộn kháng bằng đồng kích thước : (4 x 18,5) x2 [cm]. kể cả cách điện : (4,5 x 19) x 2 [cm] sơ bộ chọn kích thước của cuộn kháng như sau : *Chiều cao trụ :hck = 10,5cm. Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Thiên Huy TĐH1_K46 -40- Dây quấn cuộn kháng chia thành hai lớp , mỗi lớp có 5 vòng dây. *Độ rộng cửa sổ: c = 4 (cm). *Chiều dài cuộn kháng: L= 2.c + 2.a/2 + a. =2.4 + 2.6/3 + 6 = 20 cm. *Xác định khe hở không khí : 4 ' 10..8,0 .. T ckck B KIW=δ = 410.7,0.8,0 1,1.400.10 =0,7 cm = 7mm. trong đó hệ số K’ =1,1 ÷ 1,2 xét đến từ thông rò khe hở không khí . (Ta chọn K’ = 1,1) Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Thiên Huy TĐH1_K46 -41- Chương III: tính toán thiết kế điều khiển Trên đây chúng ta mới thiết kế mạch lực cho máy hàn hồ quang một chiều dùng bộ chỉnh lưu . Để điều khiển được dòng điện của mạch lực ta phải đi xây dựng mạch điều khiển tức là phải đi xây dựng mạch điều khiển góc mở α của các Tiristor trong mạch lực. Trong chương này ta sẽ nghiên cứu cấu trúc của một mạch điều khiển và thiết kế mạch điều khiển cho sơ đồ mạch lực đã thiết kế trong chương II . i. yêu cầu đối với mạch điều khiển : Thiết kế mạch điều khiển là một khâu rất quan trọng khi thiết kế bộ chỉnh lưu Tiristor . Nó đóng vai trò chủ yếu qyết định đến chất lượng và đọ tin cậy bộ biến đổi . Một mạch điều khiển có các yêu cầu cơ bản sau : 1, Đảm bảo phát xung với đủ các yêu cầu để mở van : *Đủ biên độ Ur: thường xung điều khiển có biên độ từ 2 ÷ 10 V. *Đủ độ rộng xung tx : (tx = 200 μ s.). *Sườn xung ngắn : ts= 0,5 ÷ 1 μ s. Dạng xung điều khiển: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Thiên Huy TĐH1_K46 -42- 2, Đảm bảo tính đối xứng đối với các kênh điều khiển : Đối với các bộ biến đổi nhiều pha, nhiều van độ đối xứng xung điều khiển gữa các kênh sẽ quyết định chất lượng của hệ. Độ lệch cho phép ở các kênh khác nhau phải ở trong phạm vi từ 1o ÷ 3o ứng với cùng một giá trị điện áp điều khiển . Độ lệch pha của tín hiệu điều khiển đối với sơ đồ chỉnh lưu : 3, Đảm bảo cách li giữa mạch điều khiển và mạch lực . Có thể dùng biến áp xung để cách li giữa mạch lực và mạch điều khiển : Điện áp chịu đựng giữa sơ cấp và thứ cấp phải đạt được 1500 V ÷ 2000 V khi làm việc với điện áp lưới 3 x 380 V. sơ đồ biến áp xung : Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Thiên Huy TĐH1_K46 -43- 4, Đảm bảo đúng qui luật thay đổi về pha của xung điều khiển : Đây là yêu cầu để đảm bảo phạm vi điều chỉnh của góc điều khiển α. Thông thường mạch điều khiển phải đảm bảo thay đổi được góc α từ 10o ÷ 170o . Giới hạn góc điều khiển α : Giới hạn góc điều khiển α : 5, Có thể hạn chế được phạm vi điều chỉnh góc α không phụ thuộc vào sự thay đổi của điện áp lưới . 6, Không gây nhiễu đối với các hệ thống điều khiển điện tử khác ỏ xung quanh . 7, Có khả năng bảo vệ quá áp, qúa dòng, mất pha ,... và báo hiệu khi có sự cố .Khi đó hệ thống phải nhanh chóng dừng phát xung điều khiển . 8, Đạt yêu cầu về độ tin cậy khi làm việc trong mọi điều kiện như : Nhiệt độ thay đổi , nguồn nhiễu tăng ... 9, Yêu cầu về lắp ráp vận hành : +Thiết bị dễ thay thế, lắp ráp và điều chỉnh . +Vận hành đơn giản và thuận tiện. +Các khối có khả năng làm việc độc lập . II.sơ đồ khối mạch điều khiển : Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Thiên Huy TĐH1_K46 -44- Qua nghiên cứu tìm hiểu về các yêu cầu đối với mạch điều khiển sơ đồ chỉnh lưu dùng Tiristor ta có thể xây dựng sơ đồ mạch điều khiển như sau : Trong đó : +Uc : Là điện áp điều khiển +Ur : Là điện áp đồng bộ nó cùng pha với điện áp UAK của Tiristor . Các khâu có trong sơ đồ : +Khâu 1: Khâu so sánh : -Nguyên tắc làm việc giống một trigơ. -Đầu vào là hiệu điện áp : (Uc - Ur ). -Đàu ra là dạng “ sin chữ nhật” +Khâu 2: Khâu đa hài một trạng thái ổn định . +Khâu 3: Khâu khuếch đại xung. +Khâu 4: Khâu biến áp xung . Các Khâu trong sơ đồ có quan hệ tiếp nối với nhau (đầu vào của khâu này là đầu ra của khâu kia ) do đó chỉ cần tác dụng vào Uc ta có thể điều khiển được vị trí xung điều khiển tức là điều khiển được góc mở α của Tiristor . III. giới thiệu một số phần tử điều khiển : Dưới đây xin giới thiệu một số phần tử điều khiển thường gặp trong mạch điều khiển 1. Khuếch đại thuật toán : Đây là phần tử cơ bản thường được dùng rộng rãi mạch điều khiển với chức năng xử lí các tín hiệu tương tự : Kí hiệu và sơ đồ tương đương của KĐTT: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Thiên Huy TĐH1_K46 -45- Các thông số cơ bản : Các thông số Kí hiệu Giá trị lí tưởng Giá trị thực tế Tổng trở đầu vào Ri Vô cùng lớn 105 ÷ 107Ω Tổng trở đầu ra Ro Gần bằng không 100 ÷ 250 Ω Hệ số KĐ hở mạch Ko Vô cùng lớn 105 ÷ 106 Các sơ đồ ứng dụng của khuếch đại thuật toán : a> Mạch khuếch đại đảo : *Sơ đồ nguyên lí: *Các thông số: I1 = Ui/R1. I2 = -Uo/R2. Uo = -(R2/R1).Ui . (Điện áp ra ). K = R2/R1 . (Hệ số khuếch đại ). b> Mạch so sánh : *So sánh một cổng : sơ đồ nguyên lí : Nguyên tắc hoạt động : Ui(-) > Ui(+) =0 v Thì: U3 = -Un Ui(-) < Ui(+) =0 v Thì: U3 = +Un *So sánh hai cổng : sơ đồ nguyên lí : Nguyên tắc hoạt động : Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Thiên Huy TĐH1_K46 -46- U1 > U2 =0 v Thì: U3 = -Un U1 < U2 =0 v Thì: U3 = +Un Nhận xét : Mạch so sánh một cổng dùng để so sánh các tín hiệu khác dấu. Mạch so sánh hai cổng dùng để so sánh các tín hiệu cùng dấu. c> Mạch tạo tín hiệu răng cưa : sơ đồ nguyên lí: IV. các nguyên tắc điều khiển: Trong thực tế người ta thường dùng hai nguyên tắc điều khiển : Thẳng đứng tuyến tính và thẳng đứng “arccos” để thực hiện việc điều chỉnh vị trí xung trong nửa chu kỳ dương của điện áp đặt trên thyristor. IV. 1 >Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính. Đây là phương pháp tạo góc mở α thay đổi bằng cách dịch chuyển điện áp điều khiển theo phương thẳng đứng so với điện áp răng cưa : Để thực hiện nguyên tắc này người ta dùng hai loại điện áp: - Điện áp đồng bộ Ur : Có dạng răng cưa đồng bộ với điện áp đặt trên Anot và Catot của Tiristor . Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Thiên Huy TĐH1_K46 -47- - Điện áp điều khiển Uc : Là điện áp một chiều có thể điều chỉnh được biên độ. Tổng đại số (Uc+ Ur) được đưa vào đầu vào của một khâu so sánh, tại thời điểm Uc+ Ur =0 thì phát xung điều khiển mở Tiristor . Tiristor sẽ mở từ đó đến thời điểm dòng điện bằng không . Quan sát trên sơ đồ ta thấy : Bằng cách biến đổi điện áp điều khiển uc người ta có thể điều chỉnh được thời điểm xuất hiện xung ra tức là điều chỉnh được góc α . Ta có : Quan hệ giữa Uc với góc α : maxr C U Uπα = Thường lấy: Ucmax = Urmax. IV. 2 > Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos: Để thực hiện theo nguyên tắc này người ta cũng dùng hai điện áp: - Điện áp đồng bộ Ur vượt trước điện áp anot va catot của Tiristor một góc bằng 900 ( nếu UAK= Asinω t thì Ur=B cosω t). - Điện áp điều khiển Uc là điện áp một chiều có thể điều chỉnh được biên độ theo hai hướng ( dương và âm ). Tổng đại số (Ur+Uc )được đưa đến đầu vào của khâu so sánh. Quan sát trên hình vẽ ta thấy : Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Thiên Huy TĐH1_K46 -48- +Khi ur+uc= 0 ta nhận được một xung ở đầu ra của khâu so sánh: UC + B. cosα = 0 suy ra : α = arcos( B U C− ) Như vậy: uc biến thiên từ - Ucmax đến Ucmax thì α biến thiên từ 00 ÷ 1800 . Nhận xét: Nguyên tắc điều khiển arcos đạt chất lượng tốt hơn chính xác hơn và thường được sử dụng trong các thiết bị đòi hỏi chất lượng cao . V. thiết kế mạch điều khiển : Qua quá trình phân tích, tìm hiểu và tính chọn mạch lực cùng với quá trình phân tích mạch điều khiển ở bên trên ta xây dựng được sơ đồ mạch điều khiển như sau . V.1.Sơ đồ nguyên lí : (xem hình vẽ trang bên.) V.2.Giải thích nguyên lí làm việc: +Sơ đồ điều khiển dựa theo nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính. Mạch điều khiển bao gồm ba kênh giống nhau nên chỉ xét một kênh. Thuyết minh : +Điện áp nguồn cùng pha với điện áp của Tiristor qua BAĐF qua hai điôt Đ1, Đ2 tại A ta nhận được điện áp dạng uA nhấp nhô nửa hình sin dương;uA qua R1 đưa tới cổng không đảo của khuếch đại thuật toán OA1 . +Điện áp Uđ1 được tạo bởi phân áp VR2 + R2 với nguồn nuôi độc lập (+12V) Uđ1được đặt vào cổng đảo của OA1 : Uđ1 và uA so sánh với nhau : *Nếu: uA > Uđ1 Thì: UB = +Un . *Nếu: uA < Uđ1 Thì: UB = -Un . Kết quả tại B ta nhận được chuỗi xung dạng sin hình chữ nhật UB : +Khi UB mang dấu “-” thì tụ C1 nạp theo chiều: (+Urc ) → C1 → R4 → Đ3 → OA1 → về đất . ứng với thời gian tn. +Khi UB mang dấu “+” thì tụ C1 nạp ngược theo chiều: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Thiên Huy TĐH1_K46 -49- (+En) → R3 → VR1 → C1 → OA2 → về đất điện áp tụ giảm dần về 0 ứng với thời gian tf. Kết quả đầu ra của OA2 được điện áp răng cưa Urc : có chu kì T2=tn+tf . +Điện áp phản hồi lấy trên RSh có giá trị 75mV. được khuếch đại không đảo qua OA4 có hồi tiếp dương nhờ Rht.Cho điện áp dương tại đầu ra của OA4 . Điện áp này so sánh với điện áp đặt Uđ2 được tạo bởi nguồn -E, R10, VR3. Kết quả cho điện áp âm đặt vào cổng đảo của OA5 tích phân thành Uđk đặt vào cổng không đảo OA3 . Urc so sánh với Uđk qua OA3 cho ta chuỗi xung sin hình chữ nhật Uc âm sẽ về đất, dương đặt vào một cổng của của phần tử lôgic AND.Bộ phát xung chùm 555 tạo điện áp UFX>0 đặt vào 1 cổng của AND .Điện áp ra UD của khâu lôgic AND chỉ có khi Urc và Uc đồng thời dương . UD được khuếch đại nhờ T1 và T2 qua BAX bên thứ cấp được xung chùm đủ điều kiện mở Tiristor cấp vào cực G của nó . Tiristor đó sẽ mở khi có xung điều khiển cấp vào cực G của nó và điện áp bên Anôt của Tiristor là phải dương nhất so với 2 Tiristor còn lại. vi. tính toán các phần tử trong mạch điều khiển : 1.) Khâu đồng pha đồng bộ: Sơ đồ nguyên lí : D1 R2VR2 U1~ 0A1 BA§P D2 R1 +12 A Ud1 +Điện áp nguồn (u1∼) cùng pha với điện áp của Tiristor qua BAĐF qua hai điôt Đ1, Đ2 tại A ta nhận được điện áp dạng uA nhấp nhô nửa hình sin dương; uA qua R1 đưa tới cổng không đảo của khuếch đại thuật toán OA1 . Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Thiên Huy TĐH1_K46 -50- +Điện áp Uđ1 được tạo bởi phân áp VR2 + R2 với nguồn nuôi độc lập (+12V) Uđ1được đặt vào cổng đảo của OA1 : Uđ1 và uA so sánh với nhau : *Nếu: uA > Uđ1 Thì: UB = +Un . *Nếu: uA < Uđ1 Thì: UB = -Un . Kết quả tại B ta nhận được chuỗi xung dạng sin hình chữ nhật UB lệch pha (ωt1) so với (u1∼) : Chọn góc thoát và duy trì năng lượng ứng : θ =50. Điện áp đồng pha : 12 - 0 - 12. *Tính Uđ1: Tại thời điểm t1: Uđ1= Umax.sin5o = 12 . 0,087 = 1 (V). *Tính VR2 và R2: Ta có : I= 2 1 22 R U RR E d VR =+ ⇒ E U RR R d VR 1 22 2 =+ = 12 1 Phải chọn VR2 + R2 sao cho I < 1 mA. Hay : VR2 + R2 ≥ 12/1.10-3 =12KΩ. Ta chọn : VR2 + R2 = 12KΩ. thì :R2 = (1.12) : 12 = 1KΩ RVR2 =12 - R2 = 12 – 1 =11KΩ Cuối cùng ta chọn : R2 =1kΩ ,VR2 loại 15 kΩ . R’1 = 1KΩ Đ1 và Đ2 là điôt thông dụng loại 1010 có: Điện áp ngược Ungmax=200V. Dòng điện :Imax = 200A Khuếch đại thuật toán : OA chọn loại μA741 : Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Thiên Huy TĐH1_K46 -51- 2, Khâu tạo điện áp răng cưa : Sơ đồ nguyên lí : *Chu kỳ nguồn xoay chiều : T1= mssf 20)(02,0 50 11 === *Chu kỳ của xung răng cưa: T2 msT 10 2 1 == . T2=tn+tf : ứng với 180o. tn : ứng với 100 tf : ứng với góc 1800 –100=1700. Vậy: tn=10. ms6,0180 10 = . Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Thiên Huy TĐH1_K46 -52- tf=10 –0,6 =9,4ms. * Chọn Đz có ngưỡng: UĐZ=9 v chọn loại ĐZcó : UÔ = 9,1 V; IÔ = +Khi UB mang dấu “-” thì tụ C1 nạp theo chiều: (+Urc ) → C1 → R4 → Đ3 → OA1 → về đất . ứng với thời gian tn. Ta phải chọn R4 sao cho dòng điện qua tụ C1 trong khoảng tn = 0,6 ms. phải đạt đến giá trị UC1 = 9 V. Ta có : UC1 = (In/C1).tn. suy ra : (In/C1) = UC1/tn = 9/0,6.10-3 = 15.103 Ω. nên : In = (15.103 Ω).C1 Chọn tụ : C1 =1μF. Ta có : In = 15.103.1.10-6=15.10-3 Ω. R4 = Un/In = 12/15.103 = 800 Ω Chọn R4 = 1KΩ +Khi UB mang dấu “+” thì tụ C1 nạp ngược theo chiều: (+En) → R3 → VR1 → C1 → OA2 → về đất điện áp tụ giảm dần về 0 Đ3 khoá vậy ta phải chọn R3 +VR1 sao cho trong tf = 9,4ms.tụ C1 phải phóng điện hết về đến giá trị không 0. Ta có : Ucf = Uco - (If / C1).tf với: UCO = UĐZ = 9 V. Vậy : 0 = 9 – (If / C1).tf ⇒If = mAt C f 96,0 10.4,9 10.1.9.9 3 6 1 == − − . R3 + VR1 = Ω== − KI E f 5,12 10.96,0 12 3 . Ta chọn R3 = 1 KΩ . VR3 = 15 KΩ . Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Thiên Huy TĐH1_K46 -53- Đ3 chọn giống Đ1 ; Đ2. R5 = 1KΩ . OA2 :loại μA741. 3, Khâu so sánh : * Sơ đồ nguyên lí: Nhiệm vụ so sánh điện áp Uđk và Urc với nhau cho điện áp ra là sin hình chữ nhật : *Nếu: uđk < Urc Thì: UC = -Un . *Nếu: uđk > Urc Thì: UC = +Un . Các điện trở hạn chế : R6 ,R12 thoả: R6 = R12 > 3 max 10.1 − RCU =9:10-3 kΩ . Ta chọn R6 = R12 =10 kΩ. OA3 loại μA741 như trên. 4, Khâu lôgic: * Sơ đồ nguyên lí: +Khâu này còn được gọi là khâu trộn xung trộn điện áp UC với UFXcó tần số 8KHz thành xung UD . khi UC và UFX cùng đồng thời dương thì UD có một xung điện áp . Ta chọn phần tử AND loại 4081 sản xuất theo công nghệ CMOS. Có : Vdd = +3 ÷ 15 V . kí hiệu : Sơ đồ cấu trúc chân của 4081: Các thông số : +Nguồn nuôi : +12 V . +Điện áp ứng với mức lôgic “1” ở đầu ra : +E ≥ Ura ≥ 2,4 V +Điện áp ứng với mức lôgic “1” ở đầu ra : +E ≥ Uvào ≥ 2 V + Điện áp ứng với mức lôgic “0” ở đầu ra : 0,4 V ≥ Ura ≥ 0 V Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Thiên Huy TĐH1_K46 -54- +Điện áp ứng với mức lô “0” ở đầu ra : 0,8 V ≥ Uvào. Chọn điện trở hạn chế: R13 = R14 = 10 KΩ . 5,Khâu khuếch đại xung và biến áp xung : * Sơ đồ nguyên lí : 5.a>Tính biến áp xung : Biến áp xung sử dụng trong mạch với mục đích : +Tạo ra xung có biên độ phù hợp với yêu cầu . +Cách li về điện giữa mạch điều khiển và mạch động lực . +Phân bố xung trong các kênh điều khiển. ở đây biến áp xung được thiết kế có một cuộn sơ cấp một cuộn thứ cấp : Tỉ số BAX thường là : kx = 1 ÷ 1,2. Ta chọn kx =1,2. Ta đã chọn van có : UG = 8 V, IG = 0,4 V.Từ đó suy ra : +Điện áp thứ cấp biến áp xung : U2X = UG =8 V. +Điện áp sơ cấp biến áp xung : U1x = kx . U2X =1,2 .8 = 9,6 V. +Dòng thứ cấp biến áp xung : I2 = IX = 0,4 A. +Dòng sơ cấp biến áp xung : I1 = I2/ kx = 0,4 : 1,2 = 0,33 A. Chọn vật liệu làm lõi biến áp xung là sắt Ferit HM . Có lõi thép dạng hình xuyến làm việc trên một phần của đặc tính từ hoá có : B = 0,45 tesla , μA = 6000 A/m. Tiết diện lõi thép : S = 1cm2 =10-4 m2. Chiều dài xung qua biến áp xung : tx = 10 ÷ 600μs ta chọn tx = 200 μs Tần số xung chùm bằng 8 KHz . Ta có : *Số vòng sơ cấp : W1 = (u1 .tx) : (B.S). = 4 6 10.45,0 10.200.6,9 − − = 43 vòng . *Số vòng thứ cấp : W2 = (W1 : Kx) =36 vòng . Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Thiên Huy TĐH1_K46 -55- *Giá trị trung bình dòng sơ cấp :Itbsc = (I1.tx) : Tx. Trong đó : Tx = 1/fx = 1/ 8.103 = 0,125.10-3 s. ⇒Itbsc = 3 6 10.125,0 10.200.33,0 − − =0,53 A. *Giá trị trung bình dòng thứ cấp Itbtc = I1 . kx =0,53 . 1,2 = 0,64 A. Chọn J = 2A/mm2 . *Tiết diện dây sơ cấp :Ssc = 27,02 53,0 J ==tbscI mm2. *Đường kính dây sơ cấp dsc = π 1.4 S = π 27,0.4 =0,6mm. * Tiết diện dây thứ cấp :Stc = 32,02 64,0 J ==tbtcI mm2. *Đường kính dây thứ cấp dtc = π 2.4 S = π 32,0.4 =0,7mm. 5,b> Tính khuếch đại xung : Ta đã biết : *Dòng điện sơ cấp biến áp xung : I1x = 330mA *Điện áp sơ cấp biến áp xung : U1x = 8V Theo sơ đồ ta có thể Tiristor + Chọn T2 loại KY611có các thông số chuẩn : UCE=38V.; ICE=3A; β =100. Thực tế : ICE (T2)= Isc = 330mA. βT2=10. IB(T2) = mA I T TEC 33 10 330 2 )2( ==β mà: IB(T2) = ICE(T1) Chọn T1 loại C828 có các thông số chuẩn : UCE=30V. ICE=100mA. 100=β . Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Thiên Huy TĐH1_K46 -56- Ta có : IB(T1)= β )1(TECI với 10=β IB(T1)= mA3,310 33 = . Tính chọn R17 : R17= Ω=−=− 6,4333,0 6,924 1 12 I UE . Chọn R17 là điện trở công suất có giá trị : 50 Ω *Tính chọn R16 :chọn UB(T2) =0,7V. R16 =0,7 : 0,033 = 21,2Ω Ta chọn R16 =50Ω *Tính chọn R15 : IB(T1) = mA I T TEC 3,3 10 33 1 )1( ==β R15 = UD : IB(T1) = 12 : (3,3.10-3)=3,6 .103 Ω Ta chọn R15 = 3,3 KΩ. Chọn các điôt Đ4 ,Đ5 ,Đ6 là loại điôt thông dụng:1010. 6. Khâu phát xung chùm : khâu phát xung chùm trong mạch điều khiển dùng vi mạch 555 có 8 chân : chân 1- nối với âm nguồn nuôi chân 2- kích lật, khi v2= 3 .2 E thì v3=0 chân 3- =cổng ra v3 min=0,1V,u3max=E-0,5v. I3max=0,2A. Chân 4- - Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ Án Tốt Nghiệp SVTH: Nguyễn Thiên Huy TĐH1_K46 -57-