Đề tài Thiết kế máy hàn bán tự động trong môi trường khí bảo vệ CO2

n cực thuận (điện trở rất nhỏ) nhưng các lớp tiếp xúc JA và JC lại phân cực ngược (điện trở rất lớn) không có dòng điện qua từ C sang A. Phụ tải (bóng đèn) không có dòng điện chạy qua và không có ánh sáng. Thực sự thì vẫn có một dòng điện rò rất nhỏ, không đáng kể cỡ vài mA. Đặc tính Von - Ampe khi phân áp ngược là đoạn ON trên hình 4.8. Khi điện áp ngược tăng tới một trị số nào đó đủ lớn (Uct) thì tiristo bị đánh thủng giống trường hợp của điot và kết quả là dòng điện ngược tăng lên rất nhanh và mạnh. Khi phân áp thuận (anot nối với cực dương nguồn, catot nối với cực âm nguồn) thì lớp tiếp xúc JA và JC được phân cực thuận, điện trở rất nhỏ, nhưng lớp tiếp xúc JM lại bị phân cực ngược, có điện trở rất lớn. Do vậy, trường hợp này cũng có một dòng điện rò rất nhỏ chạy qua lớp JM. Tiristo khác điot ở chỗ: điot dẫn điện ngay khi phân áp thuận, còn tiristo thì phân áp thuận vẫn chưa dẫn điện. Muốn cho Tiristo dẫn điện khi phân áp thuận thì phải có điều kiện. Đó là phải cấp cho xung điện áp dương vào cực điều khiển G khi Tiristo được phân áp thuận. Xung dương điều khiển có thể được tạo ra một cách đơn giản nhờ đóng công tắc K ở sơ đồ dưới (4.10): Hình 4.8. Đặc tính Vôn-Ampe của Tiristo Hình 4.9. Sơ đồ phân áp thuận một Tiristo Hình 4.10. Sơ đồ nguyên lý điều khiển Tiristo Khi đó, lớp tiếp xúc JC được phân áp thuận thêm trực tiếp bởi nguồn Eg nên dòng điện qua lớp JC tăng mạnh. Các điện tử từ các nguồn ngoài qua N2 chuyển dịch sang P2 với động năng lớn. Một phần về cực G hình thành dòng điều khiển IG, phần khác lớn hơn, vuợt qua lớp JM vào N1 rồi qua P1 về nguồn tạo ra dòng Ia. Khi các điện tử qua lớp JM với động năng lớn sẽ bắn phá các nguyên tử trung hoà trong lớp tiếp xúc, tạo ra các điện tử tự do. Số điện tử mới lại bắn phá các nguyên tử trung hoà khác Cứ như thế, số điện tử tự do tăng lên rất nhanh, số điện tử dẫn điện tăng vọt. Điểm làm việc chuyển từ T1 sang T2 rồi T. Tiristo ở trạng thái thông. Trị số của dòng điện Ia phụ thuộc vào trị số điện trở trong mạch phụ tải. Khi tiristo thông, điện trở trong RAC của nó rất nhỏ (cỡ vài phần chục hoặc phần trăm của 1) nên sụt áp không đáng kể (không quá 1V). Khi tiristo đã thông, dòng điều khiển không còn tác dụng gì vì có cắt dòng điều khiển thì tiristo vẫn thông. Nguyên do vì dòng Ia qua lớp JM sẽ tiếp tục làm điện trở lớp JM giảm thấp và duy trì sự dẫn điện qua lớp này thì N1 sang P2. Nếu khi cho xung dòng điều khiển vào cực G để kích thông tiristo mà điện áp thuận giảm thấp, đoạn OT1 trở thành OT1’, OT1’’thì cần phải tăng dòng điều khiển lên lớn hơn I’’đk1> I’đk1> Iđk1. Khi dòng điều khiển tăng tới giá trị cực đại cho phép Iđkmax (thường cỡ từ vài chục đến vài trăm mA, tuỳ loại tiristo) thì đoạn OT1, OT1’, OT1’’ trở thành OT2 nghĩa là đặc tính Von - Ampe của tiristo sẽ như đặc tính V-A của điot [5]. Ta có thể nhận xét: Đối với điot, nó sẽ thông ngay khi được phân áp thuận nếu điện áp Uth > Ungưỡng (Ungưỡng = 0,1 - 0,5 V). Đối với tiristo thì phân áp thuận chỉ là một điều kiện cần, tiristo chưa thông. Cùng với phân áp thuận còn phải có xung điều khiển đưa vào cực điều khiển G. Dòng điện điều khiển càng lớn, đặc tính Von-Ampe của tiristo càng giống như của điot. Do vậy, tiristo còn gọi là điot có điều khiển. Khi điot hoặc tiristo thông thì điện trở trong RAC của chúng rất nhỏ nên sụt áp trên chúng không đáng kể (vài phần V và không quá 1V). Cách làm tiristo thông như trên (có phân áp thuận và xung điều khiển) là cách làm thông thường và phổ biến trong các mạch điều khiển tiristo. Đó là phương pháp mở thông tiristo bằng dòng điều khiển. Ngoài ra, còn có một số phương pháp khác để mở thông tiristo như: Bằng điện áp thuận đủ lớn. Bằng tốc độ tăng trưởng điện áp thuận đủ lớn. Bằng nhiệt độ. Bằng ánh sáng. Cách khoá Tiristo Có hai cách khoá tiristo thường dùng: Khoá bằng phân áp ngược (khoá bằng điện áp). Khi tiristo đang dẫn dòng thì các lớp bán dẫn không còn trung hoà về điện nữa: trong lớp N có những lỗ trống từ lớp P chuyển dịch sang và trong lớp P có những điện tử từ lớp N chuyển dịch sang. Khi tiristo bị đặt điện áp ngược, các phần tử mang điện tích tự do trên sẽ chuyển dịch ngược lại, tạo nên một dòng điện ngược lớn ở các lớp tiếp xúc JA và JC với cường đọ vài chục Ampe hoặc lớn hơn. Dòng điện qua lớp JM lúc này là thuận. Sau một thời gian, các lớp JA và JC khôi phục lại tính chất của lớp tiếp xúc rồi cuối cùng là lớp JM. Dòng điện ngược trở về xấp xỉ 0, tiristo trở về trạng thái khoá. Thời gian khoá thường lớn hơn thời gian mở khoảng trên dưới mười lần. Khoá bằng cách giảm dòng điện anot (khoá bằng dòng điện) đang dẫn xuống dưới mức giá trị của dòng điện duy trì (cỡ vài chục mA). Khi tiristo được phân áp thuận, lớp JM có điện trở lớn làm dòng điện qua tiristo rất nhỏ. Khi có dòng điều khiển, tiristo thông được là do một số lượng lớn điện tử từ lớp N2 và các lỗ trống từ lớp P1 chuyển dịch tới lớp tiếp xúc JM làm giảm điện trở của lớp này và dòng điện qua tiristo từ cực A sang C tăng lên rất mạnh. Đó là trạng thái tiristo thông [5]. Nếu giảm dòng anot thì điện trở của lớp tiếp xúc JM sẽ tăng lên và khi giảm tới giá trị Ia đủ nhỏ (Ia<Idt) thì lớp tiếp xúc JM sẽ trở lại trạng thái không dẫn và tiristo bị khoá. Vậy, dòng điện duy trì Idt là dòng điện nhỏ nhất mà tiristo vẫn giữ được trạng thái thông khi không có dòng điều khiển. Dòng anôt giảm xuống dưới giá trị dòng duy trì thì tiristo bị khoá. Để giảm dòng anôt xuống dưới giá trị dòng duy trì Idt thì có thể tăng điện trở mạch phụ tải lên rất lớn (như ngắn mạch) hoặc giảm điện áp thuận về 0 hay gần bằng 0. Ta có thể tóm tắt phương pháp thường dùng để thông và khoá một tiristo như sau: Tiristo thông khi được phân áp thuận và có dòng điều khiển(hay xung điều khiển do mạch điều khiển đưa tới); Tiristo khoá khi bị phân áp ngược hoặc bị giảm dòng anôt Ia xuống nhỏ hơn dòng duy trì Idt.Tiristo khóa nhờ mạch lực [5]. 4.2.3 Các tham số chính của Tiristo Với một tiristo cần quan tâm các thông số sau: Điện áp thuận cực đại (uth.max): điện áp thuận lớn nhất có thể đặt lâu dài lên tiristo mà tiristo vẫn giữ nguyên được trạng thái khoá. Điện áp ngược cực đại (ung.max): điện áp ngược lớn nhất có thể đặt lâu dài lên tiristo mà tiristo không bị đánh thủng. Dòng điện ngược tương ứng với điện áp này là 10 - 20 mA. Điện áp định mức (Uđm): điện áp cho phép đặt lâu dài lên tiristo ở cả chiều thuận và chiều ngược Uđm 2/3 uth.max Sụt áp định mức: điện áp rơi trên tiristo ở trạng thái thông với dòng định mức Sụt áp chuyển đổi: điện áp thuận nhỏ nhất làm tiristo chuyển từ trạng thái khoá sang trạng thái thông mà không cần dòng điều khiển. Dòng điện định mức (Iđm): dòng điện trung bình lớn nhất được phép qua tiristo mà không gây lên nhiệt quá mức cho phép. Các tiristo của Nga thường cho Iđm, còn các tiristo của Tây Âu thường cho: Ihdđm = 1,57Iđm Điện áp (UGmin) và dòng điều khiển (IGmin): giá trị tối thiểu của điện áp hoặc dòng điều khiển để mở thông Tiristo. Thời gian mở thông (tm): thời gian cần để tiristo thông, tăng dòng từ 0 đến 0,9Iđm. Thời gian khoá (tk): khoảng thời gian từ lúc Iac =0 đến lúc có lại điện áp mà tiristo không chuyển sang trạng thái thông. Tốc độ tăng trưởng điện áp thuận cho phép : là giá trị tốc độ tăng trưởng thuận lớn nhất của điện áp thuận mà không làm tiristo chuyển từ trạng thái khoá sang trạng thái thông. Tốc độ tăng dòng điện thuận cho phép : là giá trị tốc độ tăng lớn nhất của dòng điện thuận cho phép (cỡ 100A/s) mà không gây đốt nóng cục bộ làm hỏng tiristo. Tiristo có tuổi thọ cao, nhỏ, gọn, công suất điều khiển nhỏ, tổn hao vận hành không đáng kể, tác động nhanh ...nên khá tiện dụng. Hiện nay người ta đã chế tạo được các tiristo chịu được điện áp ngược lên tới hàng nghìn kV và dòng điện chỉnh lưu hàng nghìn Ampe. Tiristo đã và dang được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điện xoay chiều và một chiều [5]. 4.2.4 Bảo vệ các tiristo Các tiristo là các linh kiện bán dẫn công suất lớn nên cần bảo vệ tốt khi chúng làm việc trong mạch điện, chống các sự cố bất ngờ. Đối với hệ thống dùng tiristo, có hai loại bảo vệ [5]: Bảo vệ tiristo khỏi bị hỏng. Đó là các bảo vệ khỏi ngắn mạch, quá tải, quá áp và độ tăng dòng quá mức. Bảo vệ hệ tiristo không bị ảnh hưởng của nhiễu bên ngoài cũng như không gây nhiễm cho các hệ thống khác. Đó là bảo vệ khỏi độ tăng trưởng điện áp quá mức và chống nhiễu cho radio. Bảo vệ khỏi quá dòng Khi tiristo làm việc, dòng chạy qua tiristo sẽ làm nóng nó, nhất là ở các lớp ghép P-N (JA, JM, JC). Công suất này tuy nhỏ với tổng công suất của mạch nhưng cũng làm chính tiristo nóng lên một nhiệt độ nào đó. Các phần tử bán dẫn rất nhạy cảm với nhiệt độ. Nếu nhiệt độ làm việc vượt quá một nhiệt độ cho phép sẽ có thể phá huỷ tiristo. Nhiệt độ cho phép đối với bán dẫn Ge là 801000C, đối với bán dẫn Si là 1500C. Bảo vệ tiristo khỏi bị hỏng để nó làm việc tin cậy là làm thế nào để nhiệt độ của nó không vượt quá giá trị cho phép. Điều đó yêu cầu phải giới hạn công suất tổn hao nhiệt thông qua việc giảm thời gian dẫn dòng quá mức khi dòng dẫn vượt quá giá trị trung bình cho phép. Cảm biến được dùng trong bảo vệ này là máy biến dòng điện TI. Sơ đồ khối một hệ thống có phản hồi dòng để bảo vệ quá dòng cho hệ thống tiristo như hình vẽ dưới: Hình 4.11. Sơ đồ khối hệ thống có phản hồi dòng để bảo vệ quá dòng Khi quá dòng, biến dòng TI sẽ phản ánh qua khâu phản hồi, điều khiển lại tín hiệu điều khiển để giảm dòng. Bảo vệ khỏi quá nhiệt độ Việc bảo vệ tiristo dựa trên cơ sở hạn chế dòng điện lại không có ý nghĩa ở chế độ quá độ vì ở chế độ này, tổn hao tức thời có thể vượt quá mức cho phép nhưng lại không vượt quá giá trị trung bình. Lúc này phải dùng phương pháp bảo vệ bằng nhiệt độ thông qua cảm biến nhiệt độ trực tiếp bằng bán dẫn như: nhiệt điện trở, điot, transistor, điot ZenerThực tế dùng điot Zener. Khi hệ tiristo bị quá nhiệt độ, cảm biến nhiệt có thể: cắt nguồn cấp cho hệ và việc đóng điện lại cho hệ là do người vận hành thực hiện. Cắt nguồn cấp tạm thời và tự động đóng lại khi nhiệt độ đã hạ thấp. Thực hiện phản hồi để giảm thời gian dẫn của tiristo. Bảo vệ khỏi quá áp Quá áp ở một hệ thống tiristo có thể xảy ra do nhiều nguyên nhân từ bên ngoài (đóng hoặc ngắt mạch có cảm kháng phía đầu vào bộ biến đổi, khi ngắt tải bộ biến đổi, ngắt tiristo, khi sét đánh vào đường dây) hoặc do nội tại (bởi sự tích tụ điện tích trong các lớp bán dẫn khi tiristo được khoá bằng phân áp ngược). Mạch R-C thường dùng để bảo vệ quá áp nhờ quá trình nạp của tụ C. Mạch R-C mắc song song với các tiristo để chống quá áp khi chuyển mạch. Hình 4.12. Chống quá áp khi chuyển mạch Mạch R-C mắc song song với tải giữa các pha thứ cấp máy biến áp để chống quá áp khi ngắt máy biến áp không tải. Hình 4.13. Chống quá áp khi ngắt máy biến áp không tải Ngoài mạch R-C dùng bảo vệ quá áp, trong thực tế kỹ thuật còn đùng các điot ổn áp là các bộ bảo vệ phi tuyến. Các bộ bảo vệ quá áp này có loại không đối xứng dùng cho mạch một chiều, có loại đối xứng dùng cho mạch xoay chiều. Bảo vệ khỏi tốc độ tăng trưởng dòng điện quá lớn Tiristo làm việc trong mạch không có cảm kháng hoặc mạch xung thì thường chịu sự tăng trưởng dòng điện lớn khi chuyển mạch thông. Bảo vệ quá nhờ nối tiếp vào mạch một cuộn kháng bão hoà lõi ferrit với một vòng dây [5]. 4.3 Sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển 4.3.1Chỉnh lưu ba pha hình tia Khi biến áp có ba pha đấu sao ( U ) trên mỗi pha A,B,C ta nối một van như hình 4.14a, ba catod đấu chung cho ta điện áp dương của tải, còn trung tính biến áp sẽ là điện áp âm. Ba pha điện áp A,B,C dịch pha nhau một góc là 1200 theo các đường cong điện áp pha, chúng ta có điện áp của một pha dương hơn điện áp của hai pha kia trong khoảng thời gian 1/3 chu kỳ ( 1200 ). Từ đó thấy rằng, tại mỗi thời điểm chỉ có điện áp của một pha dương hơn hai pha kia. Hình 4.14. Chỉnh lưu tia ba pha a. Sơ đồ động lực; b- Giản đồ đường các cong khi góc mở a = 300 tải thuần trở; c- Giản đồ các đường cong khi a = 600 các đường cong gián đoạn. Nguyên tắc mở thông và điều khiển các van ở đây là khi anot của van nào dương hơn van đó mới được kích mở. Thời điểm hai điện áp của hai pha giao nhau được coi là góc thông tự nhiên của các van bán dẫn. Các Tiristior chỉ được mở thông với góc mở nhỏ nhất tại thời điểm góc thông tự nhiên (như vậy trong chỉnh lưu ba pha, góc mở nhỏ nhất a = 00 sẽ dịch pha so với điện áp pha một góc là 300). Theo hình 4.14b,c tại mỗi thời điểm nào đó chỉ có một van dẫn, như vậy mỗi van dẫn thông trong 1/3 chu kỳ nếu điện áp tải liên tục ( đường cong I1,I1,I3 trên hình 4.14b), còn nếu điện áp tải gián đoạn thì thời gian dẫn thông của các van nhỏ hơn. Tuy nhiên trong cả hai trường hợp dòng điện trung bình của các van đều bằng 1/3.Id. Trong khoảng thời gian van dẫn dòng điện của van bằng dòng điện tải, trong khoảng van khoá dòng điện van bằng 0. Điện áp của van phải chịu bằng điện dây giữa pha có van khoá với pha có van đang dẫn. Ví dụ trong khoảng t2 ¸ t3 van T1 khoá còn T2 dẫn do đó van T1 phải chịu một điện áp dây UAB, đến khoảng t3 ¸ t4 các van T1, T2 khoá, còn T3 dẫn lúc này T1 chịu điện áp dây UAC [11]. Khi tải thuần trở dòng điện và điện áp tải liên tục hay gián đoạn phụ thuộc góc mở của các Tiristor. Nếu góc mở Tiristor nhỏ hơn a £ 300, các đường cong Ud, Id liên tục, khi góc mở lớn hơn a > 300 điện áp và dòng điện tải gián đoạn (đường cong Ud, Id trên hình 3.14c). Hình 4.15. Đường cong điện áp tải khi góc mở: a = 600 với a.- tải thuần trở, b.- tải điện cảm. Khi tải điện cảm (nhất là điện cảm lớn) dòng điện, điện áp tải là các đường cong liên tục, nhờ năng lượng dự trữ trong cuộn dây đủ lớn để duy trì dòng điện khi điện áp đổi dấu, như đường cong nét đậm trên hình 4.15b (tương tự như vậy là đường cong Ud trên hình 4.14b). Trên hình 4.15 mô tả một ví dụ so sánh các đường cong điện áp tải khi góc mở a = 600 tải thuần trở hình 4.15a và tải điện cảm hình 4.15b Trị số điện áp trung bình của tải sẽ được tính như sau: Nếu điện áp tải liên tục, khi điện áp tải gián đoạn (điển hình khi tải thuần trở và góc mở lớn) điện áp tải được tính: Trong đó; Udo = 1,17.U2f. điện áp chỉnh lưu tia ba pha khi van là diot. U2f - điện áp pha thứ cấp biến áp. So với chỉnh lưu một pha, thì chỉnh lưu tia ba pha có chất lượng điện một chiều tốt hơn, biên độ điện áp đập mạch thấp hơn, thành phần sóng hài bậc cao bé hơn, việc điều khiển các van bán dẫn trong trường hợp này cũng tương đối đơn giản. Với việc dòng điện mỗi cuộn dây thứ cấp là dòng một chiều, nhờ có biến áp ba pha ba trụ mà từ thông lõi thép biến áp là từ thông xoay chiều không đối xứng làm cho công suất biến áp phải lớn [11]. 4.3.2 Chỉnh lưu cầu ba pha Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng. Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng hình 4.16a có thể coi như hai sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha mắc ngược chiều nhau, ba Tiristor T1,T3,T5 tạo thành một chỉnh lưu tia ba pha cho điện áp (+) tạo thành nhóm anod, còn T2,T4,T6 là một chỉnh lưu tia cho ta điện áp âm tạo thành nhóm catod, hai chỉnh lưu này ghép lại thành cầu ba pha. Theo hoạt động của chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng, dòng điện chạy qua tải là dòng điện chạy từ pha này về pha kia, do đó tại mỗi thời điểm cần mở Tiristor chúng ta cần cấp hai xung điều khiển đồng thời (một xung ở nhóm anod (+), một xung ở nhóm catod (-)). Ví dụ tại thời điểm t1 trên hình 4.15b cần mở Tiristor T1 của pha A phía anot, chúng ta cấp xung X1, đồng thời tại đó chúng ta cấp thêm xung X4 cho Tiristor T4 của pha B phía catot các thời điểm tiếp theo cũng tương tự. Cần chú ý rằng thứ tự cấp xung điều khiển cũng cần tuân thủ theo đúng thứ tự pha [11]. Khi chúng ta cấp đúng các xung điều khiển, dòng điện sẽ được chạy từ pha có điện áp dương hơn về pha có điện áp âm hơn. Ví dụ trong khoảng t1 ¸ t2 pha A có điện áp dương hơn, pha B có điện áp âm hơn, với việc mở thông T1, T4 dòng điện dược chạy từ A về B. Khi góc mở van nhỏ hoặc điện cảm lớn, trong mỗi khoảng dẫn của một van của nhóm này (anod hay catod) thì sẽ có hai van của nhóm kia đổi chỗ cho nhau. Điều này có thể thấy rõ trong khoảng t1 ¸ t3 như trên hình 4.16b Tiristor T1 nhóm anot dẫn, nhưng trong nhóm catot T4 dẫn trong khoảng t1 ¸ t2 còn T6 dẫn tiếp trong khoảng t2 ¸ t3. Điện áp ngược các van phải chịu ở chỉnh lưu cầu ba pha sẽ bằng 0 khi van dẫn và bằng điện áp dây khi van khoá. Ta có thể lấy ví dụ cho van T1 (đường cong cuối cùng của hình 4.16b) trong khoảng t1 ¸ t3 van T1 dẫn điện áp bằng 0, trong khoảng t3 ¸ t5 van T3 dẫn lúc này T1 chịu điện áp ngược UBA, đến khoảng t5 ¸ t7 van T5 dẫn T1 sẽ chịu điện áp ngược UCA. Khi điện áp tải liên tục, như đường cong Ud trên hình 4.16b trị số điện áp tải được tính theo công thức: Hình 4.16. Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng. a- sơ đồ động lực, b- giản đồ các đường cong cơ bản, c, d - điện áp tải khi góc mở a= 600 a= 600. Khi góc mở các Tiristor lớn lên tới góc a > 600 và thành phần điện cảm của tải quá nhỏ, điện áp tải sẽ bị gián đoạn như các đường nét đậm trên hình 4.16d (khi góc mở các Tiristor a =900 với tải thuần trở). Trong các trường hợp này dòng điện chạy từ pha này về pha kia, là do các van bán dẫn có phân cực thuận theo điện áp dây đặt lên chúng (các đường nét mảnh trên giản đồ Ud của các hình vẽ 4.16b, c, d), cho tới khi điện áp dây đổi dấu, các van bán dẫn sẽ có phân cực ngược nên chúng tự khoá [11]. Sự phức tạp của chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng như đã nói trên là cần phải mở đồng thời hai van theo đúng thứ tự pha, do đó gây không ít khó khăn khi chế tạo vận hành và sửa chữa. Để đơn giản hơn người ta có thể sử dụng điều khiển không đối xứng. Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng Loại chỉnh lưu này được cấu tạo từ một nhóm (anod hoặc catod) điều khiển và một nhóm không điều khiển như mô tả trên hình 4.17a. Trên hình 4.17b mô tả giản đồ nguyên lý tạo điện áp chỉnh lưu (đường cong trên cùng), sóng điện áp tải Ud (đường cong nét đậm thứ hai trên hình 4.17b), khoảng dẫn các van bán dẫn T1,T2,T3,D1,D2,D3. Các Tiristor được dẫn thông từ thời điểm có xung mở cho đến khi mở Tiristor của pha kế tiếp. Ví dụ T1 mở thông từ t1 (thời điểm phát xung mở T1) tới t3 (thời điểm phát xung mở T2). Trong trường hợp điện áp tải gián đoạn Tiristor được dẫn từ thời điểm có xung mở cho đến khi điện áp dây đổi dấu. Các diod tự động dẫn thông khi điện áp đặt lên chúng thuận chiều. Ví dụ D1 phân cực thuận trong khoảng t4 ¸ t6 và nó sẽ mở cho dòng điện chạy từ pha B về pha A trong khoảng t4 ¸ t5 và từ pha C về pha A trong khoảng t5 ¸ t6 [11]. Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng có dòng điện và điện áp tải liên tục khi góc mở các van bán dẫn nhỏ hơn 600, khi góc mở tăng lên và thành phần điện cảm của tải nhỏ, dòng điện và điện áp sẽ gián đoạn. Theo dạng sóng điện áp tải ở trên trị số điện áp trung bình trên tải bằng 0 khi góc mở đạt tới 1800. Người ta có thể coi điện áp trung bình trên tải là kết quả của tổng hai điện áp chỉnh lưu tia ba pha: (3.3) Việc kích mở các van điều khiển trong chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển dễ dàng hơn, nhưng các điều hoà bậc cao của tải và của nguồn lớn hơn [11]. So với chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng, thì trong sơ đồ này việc điều khiển các van bán dẫn được thực hiện đơn giản hơn. Ta có thể coi mạch điều khiển của bộ chỉnh lưu này như điều khiển một chỉnh lưu tia ba pha. Hình 4.17. Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng a- sơ đồ động lực, b- giản đồ các đường cong Chỉnh lưu cầu ba pha hiện nay là sơ đồ có chất lượng điện áp tốt nhất, hiệu suất sử dụng biến áp tốt nhất. Tuy vậy đây cũng là sơ đồ phức tạp nhất. Nhận xét : - Đối với sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng, không có phần điện áp âm cho nên không thể làm việc với tải có trả năng lượng về lưới ví dụ như tải là động cơ điện một chiều. - Đây là sơ đồ điều khiển đơn giản hơn sơ đồ cầu ba pha điều khiển đối xứng bởi vì tại mỗi thời điểm ta chỉ cần cấp xung mở một thyristor. Ta có thể coi mạch điều khiển của bộ chỉnh lưu này như mạch điều khiển của chỉnh lưu tia ba pha. Chính vì những lí do đó, nên sơ đồ cầu ba pha điều khiển không đối xứng được ứng dụng rất nhiều trong thực tế. 4.4 Chọn sơ đồ chỉnh lưu cho máy hàn -Việc chọn sơ đồ chỉnh lưu cho tải hàn hồ quang điện một chiều được căn cứ vào đặc điểm và yêu cầu về chất lượng điện áp và dòng điện một chiều mà tải hàn cần cung cấp : + Căn cứ vào yêu cầu của tải hàn hồ quang một chiều cần chất lượng điện áp và dòng điện một chiều là liên tục, bằng phẳng, độ đập mạch của dòng điện và điện áp là nhỏ nhất, giảm thiểu sóng hài bậc cao để cho hồ quang cháy ổn định và chất lượng mối hàn đáp ứng là tốt nhất. + Ngoài ra tải hàn một chiều không có trả năng lượng về lưới. - Dựa vào những đặc điểm trên, em chọn sơ đồ chỉnh phù hợp cho tải là sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng. Sơ đồ cầu ba pha điều khiển không đối xứng có nhiều ưu điểm như: + Điều khiển đơn giản. + Độ đập mạch của điện áp nhỏ. + Mạch điều khiển không cần bộ tạo xung chùm. + Số lượng kênh điều khiển ít. Tuy vậy, chúng cũng có nhược điểm là: +Số lần đập mạch của điện áp chỉnh lưu phụ thuộc vào góc điều khiển van. Với góc nhỏ dạng điện áp gần giống như ở chỉnh lưu cầu đối xứng , tăng thì m=3kết cấu cuộn kháng hạn chế dòng điện đập mạch sẽ lớn. +Khi dòng tải lớn quá thì khó khăn cho việc chọn van, thiết kế bảo vệ quá áp, quá dòng.. - Mặc dù vậy sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng hiện nay được dùng nhiều trong các máy hàn một chiều, tác giả cũng chọn sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha không đối xứng cho nguồn hàn cần thiết kế. CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHỈNH DÒNG ĐIỆN VÀ ĐIỆN ÁP HÀN Nguyên lý thiết kế mạch điều khiển Trong quá trình hàn, để đảm bảo cho chất lượng mối hàn tốt thì yêu cầu phải có chế độ hàn phù hợp với các công thức tính toán chế độ hàn. Với sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển không đối xứng, để điều chỉnh chế độ hàn người ta điều chỉnh góc mở của Tiristo phù hợp với yêu cầu điện áp và dòng điện hàn. Điều khiển Tiristo trong sơ đồ chỉnh lưu là điều khiển theo nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính. Nội dung của nguyên tắc này có thể mô tả theo giản đồ hình 5.1 như sau. Khi điện áp xoay chiều hình sin đặt vào anod của Tiristo, để có thể điều khiển được góc mở a của Tiristo trong vùng điện áp + anod, ta cần tạo một điện áp tựa dạng tam giác, ta thường gọi là điện áp tựa là điện áp răng cưa Urc. Như vậy điện áp tựa cần có trong vùng điện áp dương anod. Dùng một điện áp một chiều Uđk so sánh với điện áp tựa. Tại thời điểm (t1,t4) điện áp tựa bằng điện áp điều khiển (Urc = Uđk), trong vùng điện áp dương anod, thì phát xung điều khiển Xđk. Tiristo được mở từ thời điểm có xung điều khiển (t1,t4) cho tới cuối bán kỳ (hoặc tới khi dòng điện bằng 0)[11] Sơ đồ khối mạch điều khiển. Để thực hiện được ý đồ đã nêu trong phần nguyên lý điều khiển ở trên, mạch điều khiển bao gồm ba khâu cơ bản trên hình 5.2. Hình 5.1. Nguyên lý điều khiển chỉnh lưu. t t t t Đồng pha So sánh Tạo xung Hình 5.2. Sơ đồ khối mạch điều khiển Nhiệm vụ của các khâu trong sơ đồ khối hình 5.2 như sau: Khâu đồng pha có nhiệm vụ tạo điện áp tựa Urc (thường gặp là điện áp dạng răng cưa tuyến tính) trùng pha với điện áp anod của Tiristo Khâu so sánh có nhiệm vụ so sánh giữa điện áp tựa với điện áp điều khiển Uđk, tìm thời điểm hai điện áp này bằng nhau (Uđk = Urc). Tại thời điểm hai điện áp này bằng nhau, thì phát xung ở đầu ra để gửi sang tầng khuếch đại. Khâu tạo xung có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Tiristo. Xung để mở Tiristor có yêu cầu: sườn trước dốc thẳng đứng, để đảm bảo yêu cầu Tiristo mở tức thời khi có xung điều khiển (thường gặp loại xung này là xung kim hoặc xung chữ nhật); đủ độ rộng với độ rộng xung lớn hơn thời gian mở của Tiristo; đủ công suất; cách ly giữa mạch điều khiển với mạch động lực (nếu điện áp động lực quá lớn) Với nhiệm vụ của các khâu như vậy tiến hành thiết kế, tính chọn các khâu cơ bản của ba khối trên. 5.2 Thiết kế sơ đồ nguyên lý Theo nhiệm vụ của các khâu như đã giới thiệu, tiến hành thiết kế, tính chọn các khâu cơ bản của ba khối trên. Trên hình 5.3; 5.4; 5.5 giới thiệu một số khâu đồng pha, so sánh, tạo xung điển hình. Sơ đồ hình 5.3a là sơ đồ đơn giản, dễ thực hiện, với số linh kiện ít nhưng chất lượng điện áp tựa không tốt. Độ dài của phần biến thiên tuyến tính của điện áp tựa không phủ hết 1800. Do vậy, góc mở van lớn nhất bị giới hạn. Hay nói cách khác, nếu theo sơ đồ này điện áp tải không điều khiển được từ 0 tới cực đại mà từ một trị số nào đó đến cực đại. Để khắc phục nhược điểm về dải điều chỉnh ở sơ đồ hình 5.3a người ta sử dụng sơ đồ tao điện áp tựa bằng sơ đồ hình 5.3b. Theo sơ đồ này, điện áp tựa có phần biến thiên tuyến tính phủ hết nửa chu kỳ điện áp. Do vậy khi cần điều khiển điện áp từ 0 tới cực đại là hoàn toàn có thể đáp ứng được. Với sự ra đời của các linh kiện ghép quang, chúng ta có thể sử dụng sơ đồ tạo điện áp tựa bằng bộ ghép quang như hình 5.3c. Nguyên lý và chất lượng điện áp tựa của hai sơ đồ hình 5.b,c tương đối giống nhau. Ưu điểm của sơ đồ hình 5.10c ở chỗ không cần biến áp đồng pha, do đó có thể đơn giản hơn trong việc chế tạo và lắp đặt. Các sơ đồ trên đều có chung nhược điểm là việc mở, khoá các Tranzitor trong vùng điện áp lân cận 0 là thiếu chính xác làm cho việc nạp, xả tụ trong vùng điện áp lưới gần 0 không được như ý muốn [11]. Hình 5.3: Một số khâu đồng pha điển hình. a- dùng điôt và tụ; b- dùng tranzitor và tụ; c- dùng bộ ghép quang; d- dùng khuếch đại thuật toán. a. b. d. b. Trên sơ đồ hình 5.3d mô tả sơ đồ tạo điện áp tựa dùng khuếch đại thuật toán (KĐTT). Để xác định được thời điểm cần mở Tiristo chúng ta cần so sánh hai tín hiệu Uđk và Urc. Việc so sánh các tín hiệu đó có thể được thực hiện bằng Tranzitor (Tr) như trên hình 5.4a. Tại thời điểm Uđk = Urc, đầu vào Tr lật trạng thái từ khoá sang mở (hay ngược lại từ mở sang khoá), làm cho điện áp ra cũng bị lật trạng thái, tại đó chúng ta đánh dấu được thời điểm cần mở Tiristo. Với mức độ mở bão hoà của Tr phụ thuộc vào hiệu Uđk ± Urc = Ub, hiệu này có một vùng điện áp nhỏ hàng mV, làm cho Tr không làm việc ở chế độ đóng cắt như ta mong muốn, do đó nhiều khi làm thời điểm mở Tiristo bị lệch khá xa so với điểm cần mở tại Uđk = Urc. KĐTT có hệ số khuếch đại vô cùng lớn, chỉ cần một tín hiệu rất nhỏ (cỡ mV) ở đầu vào, đầu ra đã có điện áp nguồn nuôi, nên việc ứng dụng KĐTT làm khâu so sánh là hợp lý. Các sơ đồ so sánh dùng KĐTT trên hình 5.4b,c rất thường gặp trong các sơ đồ mạch hiện nay. Ưu điểm hơn hẳn của các sơ đồ này là có thể phát xung điều khiển chính xác tại Uđk = Urc [11]. Hình 5.4: Sơ đồ các khâu so sánh thường gặp a- bằng tranzitor; b- cộng một cổng đảo của KĐTT; c- hai cổng KĐTT. Với nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Tiristo như đã nêu ở trên, tầng khuếch đại cuối cùng thường được thiết kế bằng Tranzitor công suất, như mô tả trên hình 5.5a. Để có xung dạng kim gửi tới Tiristo, ta dùng biến áp xung (BAX), để có thể khuếch đại công suất ta dùng Tr, điôt D bảo vệ Tr và cuộn dây sơ cấp biến áp xung khi Tr khoá đột ngột. Mặc dù với ưu điểm đơn giản, nhưng sơ đồ này được dùng không rộng rãi, bởi lẽ hệ số khuếch đại của tranzitor loại này nhiều khi không đủ lớn, để khuếch đại được tín hiệu từ khâu so sánh đưa sang. Tầng khuếch đại cuối cùng bằng sơ đồ darlington như trên hình 5.5b thường hay được dùng trong thực tế. ở sơ đồ này hoàn toàn có thể đáp ứng được yêu cầu về khuếch đại công suất, khi hệ số khuếch đại được nhân lên theo thông số của các tranzitor. Trong thực tế xung điều khiển chỉ cần có độ rộng bé (cỡ khoảng (10 ¸ 200) ms), mà thời gian mở thông các tranzitor công suất dài (tối đa tới một nửa chu kỳ - 0.01s), làm cho công suất toả nhiệt dư của Tr quá lớn và kích thước dây quấn sơ cấp biến áp dư lớn. Để giảm nhỏ công suất toả nhiệt Tr và kích thước dây sơ cấp BAX chúng ta có thể thêm tụ nối tầng như hình 5.5c. Theo sơ đồ này, Tr chỉ mở cho dòng điện chạy qua trong khoảng thời gian nạp tụ, nên dòng hiệu dụng của chúng bé hơn nhiều lần [11]. Hình 5.5: Sơ đồ các khâu khuếch đại. a- bằng tranzitor công suất; b- bằng sơ đồ darlington; c- sơ đồ có tụ nối tầng. Từ so sánh & Tới khuếch đại Từ chùm xung Hình 5.6: Sơ đồ phối hợp tạo xung chùm. Để giảm công suất cho tầng khuếch đại và tăng số lượng xung kích mở, nhằm đảm bảo Tiristo mở một cách chắc chắn, người ta hay phát xung chùm cho các Tiristo. Nguyên tắc phát xung chùm là trước khi vào tầng khuếch đại, ta đưa chèn thêm một cổng và (&) với tín hiệu vào nhận từ tầng so sánh và từ bộ phát xung chùm như hình 5.6 Một số sơ đồ khâu tạo chùm xung mô tả trên hình 5.7 Vi mạch 555 tạo xung đồng hồ hình 5.7a cho ta chất lượng xung khá tốt và sơ đồ cũng tương đối đơn giản. Sơ đồ này thường hay gặp trong các mạch tạo chùm xung. Trong thiết kế mạch điều khiển, thường hay sử dụng KĐTT. Do đó để đồng dạng về linh kiện, khâu tạo chùm xung cũng có thể sử dụng KĐTT, như các sơ đồ trên hình 5.7b,c. Tuy nhiên, ở đây sơ đồ dao động đa hài hình 5.7b có ưu điểm hơn về mức độ đơn giản, do đó được sử dụng khá rộng rãi trong các mạch tạo xung chữ nhật [11]. Hình 5.7: Một số sơ đồ tạo chùm xung. a. Sơ đồ dùng vi mạch 555 ; b. Đa hài bằng khếch đại thuật toán; c. Tạo bằng mạch KĐTT. Sau khi chọn xong các khâu cơ bản, vẽ mạch hoàn chỉnh . Trong sơ đồ điều khiển điện áp hàn, ta chọn các khâu cơ bản như sau: sơ đồ đồng pha chọn hình 5.3d, so sánh chọn hình 5.4c, sơ đồ khuếch đại chọn hình 5.5c, sơ đồ tạo chùm xung hình 5.7b, ta có sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển Tiristo mô tả trên hình 5.8 Hình 5.8 mạch tạo chùm xung điều khiển Tiristo Khi đã có mạch điều khiển tiến hành giải thích hoạt động của toàn bộ mạch và hiệu chỉnh những chỗ chưa hợp lý. Hình 5.9. Giản đồ các đường cong mạch điều khiển. các đường cong trên hình 5.9 như sau: Điện áp vào tại điểm A (UA) có dạng hình sin, trùng pha với điện áp anod của Tiristo T, qua khuếch đại thuật toán (KĐTT) A1 cho ta chuỗi xung chữ nhật đối xứng UB. Phần áp dương của điện áp chữ nhật UB qua điôt D1 tới A2 tích phân thành điện áp tựa Urc. Điện áp âm của điện áp UB làm mở thông tranzitor Tr1, kết qủa là A2 bị ngắn mạch (với Urc = 0) trong vùng UB âm. Trên đầu ra của A2 chúng ta có chuỗi điện áp răng cưa Urc gián đoạn. Điện áp Urc được so sánh với điện áp điều khiển Uđk tại đầu vào của A3. Tổng đại số Urc + Uđk quyết định dấu điện áp đầu ra của KĐTT A3. Trong khoảng 0¸t1 với Uđk > Urc điện áp UD có điện áp âm. Trong khoảng t1¸t2 điện ápUđk và U rc đổi ngược lại, làm cho UD lật lên dương. Các khoảng thời gian tiếp theo giải thích điện áp UD tương tự. Mạch đa hài tạo chùm xung A4 cho ta chuỗi xung tần số cao, với điện áp UE trên hình 5.9. Dao động da hài cần có tần số hàng chục kHz ở đây chỉ mô tả định tính. Hai tín hiệu UD, UE cùng được đưa tới khâu AND hai cổng vào. Khi đồng thời có cả hai tín hiệu dương UD, UE (trong các khoảng t1¸t2, t4¸t5) chúng ta sẽ có xung ra UF. Các xung ra UF làm mở thông các tranzitor, kết quả là chúng ta nhận được chuỗi xung nhọn Xdk trên biến áp xung, để đưa tới mở Tiristo T. Điện áp Ud sẽ xuất hiện trên tải từ thời điểm có xung điều khiển đầu tiên, tại các thời điểm t2, t4 trong chuỗi xung điều khiển, của mỗi chu kỳ điện áp nguồn cấp, cho tới cuối bán kỳ điện áp dương anod. 5.3. Tính toán các thông số của mạch điều khiển (các công thức trong mục 5.3 lấy từ [11]) Sơ đồ một kênh điều khiển chỉnh lưu cầu 3 pha được thiết kế theo sơ đồ hình 5.8. Việc tính toán mạch điều khiển thường được tiến hành từ tầng khuếch đại ngược trở lên. Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu về xung mở Tiristo. Các thông số cơ bản để tính mạch điều khiển. + Điện áp điều khiển Tiristo: Udk =2,5 (v) +Dòng điện điều khiển Tiristo : Idk =0,2 (A) + Thời gian mở Tiristo: tm =15 (ms) + Độ rộng xung điều khiển tx =50 (ms) + Tần số xung điều khiển: fx =10 (k Hz). + Độ mất đối xứng cho phép Da=40 + Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển U= ±12 (v ) + Mức sụt biên độ xung: sx = 0,15 1. Tính biến áp xung: + Chọn vật liệu làm lõi là sắt Ferit HM. Lõi có dạng hình xuyến, làm việc trên một phần của đặc tính từ hoá có: DB = 0,3 (T), DH = 30 ( A/m ), không có khe hở không khí. + Tỷ số biến áp xung : thường m = 2¸3, chọn m= 3 + Điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp xung: U2 = Udk = 2,5 (v) + Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp máy biến áp xung: U1 = m. U2 = 3.2,5 = 7,5 (v) + Dòng điện thứ cấp biến áp xung: I2 = Idk = 0,2 (A) + Dòng điện sơ cấp biến áp xung: I1 = I2 /m =0,2/3=0,067(A) + Độ từ thẩm trung bình tương đối của lõi sắt: mtb =DB/m0 . DH = 8.103 trong đó : m0=1,25.10-6 (H/ m) là độ từ thẩm của không khí Thể tích của lõi thép của lõi thép cần có: V= Q.L = (mtb . m0 . tx . sx . Ul . Il )/ DB2 Thay số V= = 0,419.10-6(m3)= 0,419 (cm3) Chọn mạch từ là thép OA- 18/23- 4 có thể tích như sau: V = Q.l = 0,1.6,45 = 0,645 cm3 có các kích thước khác như sau: Hình 5.10. Hình chiếu lõi biến áp xung a = 2,5 mm b = 4 mm Q = 0,1 cm2 = 10 mm2 d = 18 mm D = 21 mm Chiều dài trung bình mạch từ ; l = 6,45 (cm) Bảng thông số các loại lõi thép xuyến tròn Loại lõi thép Kích thước (mm) Số liệu cần tra cứu d a b D Q (cm2) l (cm) Qcs (cm2) P (g) Q.Qcs (cm4) OA-12/14-3 12 1 3 14 0,03 4,1 1,13 0,96 0,034 -14/17-3 14 1,5 3 17 0,045 4,86 1,54 1,71 1,069 -16/20-3 16 2 3 20 0,06 5,56 2 2,65 0,121 -18/23-4 18 2,5 4 23 0,1 6,45 2,55 5 0,25 -20/25-5 20 2,5 5 25 0,125 7,1 3,14 6,9 0,39 -20/25-6,5 20 2,5 6,5 25 0,162 7,1 3,14 9,1 0,51 -22/30-5 22 4 5 30 0,2 8,2 3,82 12,7 0,75 -22/30-6,5 22 4 6,5 30 0,26 8,2 3,82 16,5 0,99 -25/35-5 25 5 5 35 0,25 9,42 4,9 18,3 1,23 -25/40-5 25 7,5 5 40 0,375 10,2 4,9 27,6 1,84 -25/40-6,5 25 6 8 40 0,49 10,2 4,9 36 2,4 -28/40-8 28 6 8 40 0,48 10,7 6,1 40 2,95 -28/40-10 28 6 10 40 0,6 10,7 6,1 50 3,7 -32/45-8 32 6,5 8 45 0,52 12,1 8 58,5 5,7 -32/50-8 32 9 8 50 0,72 12,9 8 58,5 5,7 -36/56-10 36 10 10 56 1 14,4 10,2 112 10,2 -40/56-16 40 8 16 56 1,28 15 12,5 150 16 + Số vòng quấn dây sơ cấp biến áp xung: Theo định luật cảm ứng điện từ : U1 =w1 . Q. dB/dt = w1 . Q. DB/tx w1 = U1 tx / DB.Q =7,5.50.10-6/0,3.0,1.10-4 = 125 ( vòng ) + Số vòng dây thứ cấp W2 = w1 / m = 125/3 = 42 (vòng ) + Tiết diện dây quấn thứ cấp: S1 = I1 /J1 = 67.10-3 /6 = 0,012 (mm2 ). Chọn mật độ dòng điện j1 =6 ( A/mm2 ). + Đường kính dây quấn sơ cấp : d1 = = = 0,1194 (mm) Chọn theo tiêu chuẩn d = 0,12 (mm). đường kính kể cả cách điện là 0,15 mm + Tiết diện dây quấn thứ cấp: S2 = I2 / J2 = 0,2/6 = 0,033 (mm2 ). Chọn mật độ dòng điện J2 = 6 (A/ mm2 ) + Đường kính dây quấn thứ cấp: d1 = == 0,205 (mm) Chọn dây có đường kính theo tiêu chuẩn d2 =0,21 (mm), đường kính kể cả cách điện là 0,23 (mm) + Kiểm tra hệ số lấp đầy: Kld = = = = 0,0113 Như vậy, cửa sổ đủ diện tích cần thiết 2. Tính tầng khuếch đại cuối cùng: - Khâu khuếch đại ta dùng tranzitor công suất Tr3 loại 2SC9111 là tranzitor npn, vật liệu bán dẫn bằng Silic có các thông số quan trọng sau: - Tranzitor loại npn, vật liệu bán dẫn là Si . - Điện áp giữa Colecto và Bazơ khi hở mạch Emito: UCBO = 40(v) - Điện áp giữa Emito và Bazơ khi hở mạch Colecto: UEBO = 4(v) - Dòng điện lớn nhất ở Colecto có thể chịu đựng : Icmax = 500 (mA). - Công suất tiêu tán ở colecto : Pc =1,7 (w) - Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp : T1 =1750 C - Hệ số khuếch đại : b =50 - Dòng làm việc của colecto : Ic3 = I1 = 67 (mA). - Dòng làm việc của Bazơ : IB3 =Ic3 /b = 67/50 =1,34(mA) Ta thấy rằng với loại Tiristo đã chọn có công suất điều khiển khá bé Udk = 2,5 (v), Idk = 0,2 (A), Nên dòng colecto – Bazơ của Tranzito Ir3 khá bé, trong trường hợp này ta có thể không cần Tranzito I2 mà vẫn có đủ công suất điều khiển Tranzito. Chọn nguồn cấp cho biến áp xung: E= + 12 ( V) ta phải mắc thêm điện trở R10 nối tiếp với cực emitor của Ir3, R1. R10 =(E - U1)/I1= 12-7,5/0,067 = 67 (W) Tất cả các điôt trong mạch điều khiển đều dùng loại 1N4009 có tham số: + Dòng điện định mức : Idm = 10 (A) + Điện áp ngược lớn nhất : UN = 25 (v), + Điện áp để cho điôt mở thông : Um = 1 (v) 3- Chọn cổng AND: Toàn bộ mạch điện phải dùng 3 cổng AND nên ta chọn một IC 4081 họ CMOS. Mỗi IC 4081 có 4 cổng ADN, các thông số: Nguồn nuôi IC : Vcc = 3¸9 (V), ta chọn: Vcc = 12 (V). Nhiệt độ làm việc : - 40o C ¸ 80o C Điện áp ứng với mức logic “1”: 2¸4,5 (V). Dòng điện nhỏ hơn 1mA Công suất tiêu thụ P=2,5 (mW/1 cổng). Hình 5.11. Sơ đồ chân IC 4081 4- Chọn tụ C3 và R9 : Điện trở R9 dùng để hạn chế dòng điện đưa vào Bazơ của Tranzitor Ir3, chọn R11 thoả mãn điều kiện : R9 ³ U/Ir3 = 12/1,34 = 8,96 ( kW) Chọn R9 = 9 ( kW) Chọn C3. R9= tx = 50 ( ms). Suy ra C3 = tx/ R9 C= 50/ 9.10-3 = 0,0056 ( mF). 5-Tính chọn bộ tạo xung chùm : Mỗi kênh điều khiển phải dùng 4 khuếch đại thuật toán, do đó ta chọn 3 IC loại TL 084 do hãng texasInstruments chế tạo, mỗi IC này có 4 khuếch đại thuật toán. Thông số của TL084 : Điện áp nguồn nuôi : Vcc = ± 18 (V) chọn Vcc = ± 12 (V) Hiệu điện thế giữa hai đầu vào : ± 30 (V) Nhiệt độ làm việc : T = -25¸ 850 C Công suất tiêu thụ : P = 680 (mW) = 0,68 (W) Tổng trở đầu vào : Rin= 106 ( MW) Dòng điện đầu ra : Ira = 30 ( pA). Tốc độ biến thiên điện áp cho phép : du/dt = 13 (V/ms) Hình 5.12. Sơ đồ chân IC TL 084 Mạch tạo chùm xung có tần số f= 1/2fx = 10 ( kHz) hay chu kỳ của xung chùm T= 1/f = 100 (ms) ta có : T= 2. R8. C2. ln(1+2. R6/ R7) Chọn R6= R7= 33(ms) . thì T= 2,2 R8. C2 = 100 (ms) vậy : R8. C2 = 45,45 (ms) Chọn tụ C2 = 0,1ms có điện áp U = 16 (V) ; R8 = 0,45 (W). Để thuận tiện cho việc điều chỉnh khi lắp mạch thì ta chọn R8 là biến trở 2 KW 6- Tính chọn tầng so sánh: Khuếch đại thuật toán đã chọn loại TL 084 Chọn R4= R5 > Uv/I v = 12/ 1.10-3 = 12 (KW) Trong đó nếu nguồn nuôi Vcc =± 12 (V) Thì điện áp vào A3 là Uv»12 (v). Dòng điện vào được hạn chế để Ilv < 1 (m A). Do đó ta chọn R4= R5= 15 (KW) khi đó dòng vào A3 : Ivmax= 12/ (15. 103) = 0,8 ( m A) 7- Tính chọn khâu đồng pha: Điện áp tụ được hình thành do sự nạp của tụ C1 , mặt khác để bảo đảm điện áp tụ có trong một nửa chu kỳ điện áp lưới là tuyến tính thì hằng số thời gian tụ nạp được Tr= R3. C1 = 0,005 (s) Chọn tụ C1 = 0,1 (mF) thì điện trở R3= Tr/ C1= 0,005 / 0,1. 10-6. Vậy : R3= 50. 103 (W).=50(kW). Để thuận tiện cho việc điều chỉnh khi lắp ráp mạch R3. Thường chọn là biến trở lớn hơn 50 kW chọn Tranzito Trl loại A564 có các thông số: Tranzito loại pnp làm bằng Si Điện áp giữa Colecto và Bazơ khi hở mạch Emito: UCBO =25(v) Điện áp giữa Emito và Bazơ khi hở mạch Colecto: UEBO =7(v) Dòng điện lớn nhất ở Colecto có thể chịu đựng : Icmax = 100 (mA). Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp : Tcp =1500 C Hệ số khuếch đại : b =250 Dòng cực đại của Bazơ : IB3 =Ic /b =100/250 =0,4(A) Điện trở R2 để hạn chế dòng điện đi vào bazơ tranzito Trl được chọn như sau: Chọn R2 thoả mãn điều kiện : R2 ³ UN Max/IB » 12/0,4. 10-3 = 30 ( kW) Chọn R2 = 30 ( kW) Chọn điện áp xoay chiều đồng pha : UA =9(v). Điện trở R1 để hạn chế dòng điện đi vào khuếch đại thuật toán A1 , thường chọn R1 sao cho dòng vào khuếch đại thuật toán Iv < 1mA. Do đó R1 > UA/I v = 9/ 1.10-3 = 9 (KW) Chọn R1 = 10 ( kW). 8- Tạo nguồn nuôi: Ta cần tạo ra nguồn điện áp ± 12 (V) để cấp cho biến áp xung, nuôi IC , các bộ điều chỉnh dòng điện, tốc độ và điện áp đặt tốc độ. Hình 5.13 .Sơ đồ nguyên lí tạo nguồn nuôi Ta dùng mạch chỉnh lưu cầu 3 pha dùng điôt, điện áp thứ cấp máy biến áp nguồn nuôi: U2 =12/2,34 = 5,1(v) ta chọn U2 =9(v) Để ổn định điện áp ra của nguồn nuôi ta dùng 2 vi mạch 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 dài bậc cao. Chọn C4= C5 =C6 =C7 = 470 (mF) ; U= 35 V 9- Tính toán máy biến áp nguồn nuôi và đồng pha: 1- Ta thiết kế máy biến áp dùng cho cả việc tạo điện áp đồng pha và tạo nguồn nuôi, chọn kiểu máy biến áp 3 pha 3 trụ, trên mỗi trụ có 3 cuộn dây, một cuộn sơ cấp và hai cuộn thứ cấp. 2- Điện áp lấy ra ở thứ cấp máy biến áp làm điện áp đồng pha lấy ra thứ cấp làm nguồn nuôi: U2= U2dph= UN = 9 (V). 3- Dòng điện thứ cấp máy biến áp đồng pha: I2dph= 1( m A) 4- Công suất nguồn nuôi cấp cho biến áp xung: Pdph = 6. U2dph . I2dph = 3.9.1.10-3 = 0,027 (w) . 5- Công suất tiêu thụ ở 3 IC TL 084 sử dụng làm khuếch thuật toán ta chọn một IC TL 084 để tạo 3 cổng AND. P81c = 4. PIC = 4.0,68= 2,72 (w) 6- Công suất BAX cấp cho cực điều khiển Tiristo. Px = 3. Udk . Idk = 3.3.0,1= 0,9 (w) 7- Công suất sử dụng cho việc tạo nguồn nuôi. PN = Pdph +P81c +Px PN = 0,027 +2,72+ 0,9 = 3,647 ( W) . 7- Công suất của máy biến áp có kể đến 5% tổn thất trong máy: S= 1,05 . (Pdph + PN ) = 1,05. ( 0,027+ 3,647) = 3,858 ( VA). 8- Dòng điện thứ cấp máy biến áp: I2 = S/ 6.U2 = 3,889/ 6.9 = 0,643 (A) 9- Dòng điện sơ cấp máy biến áp : I1 = S/ 3.U1 = 3.889/3. 220 = 0,006(A) 10- Tiết diện trụ của máy biến áp được tính theo công thức kinh nghiệm: Qt= kQ. == 6. = 0,96 ( cm2) Trong đó: kQ= 6- hệ số phụ thuộc phương thức làm mát. m= 3- số trụ của biến áp . f = 50- tần số điện áp lưới. chuẩn hoá tiết diện trụ theo tiêu chuẩn Qt= 1,00 (cm2). kích thước mạch từ lá thép dày s = 0,5 (mm) a=10mm b=10mm hệ số ép chặt kc= 0,85 . 11- Chọn mật độ từ cảm B =1T ở trong tụ ta có số vòng dây sơ cấp : w1 = ==9909 ( vòng) 12- Chọn mật độ dòng điện J1= J2= 2,75 (A/mm2) Tiết diện dây quấn sơ cấp: S1= == 0,0021 (mm2) đường kính dây quấn sơ cấp : d1= = =0,05 (mm) Chọn d1= 0,1 mm để đảm bảo độ bền cơ. Đường kính có kể cách điện: dlcd = 0,12 (mm). 13- Số vòng dây quấn thứ cấp : W2= W1. U2/ U1=9909.9/220= 405 ( vòng) 14- Tiết diện dây quấn thứ cấp : S2= S/ (3. U2. J2) =3,858/(3.9.2,75)= 0,052 (mm2) 15- Đường kính dây quấn thứ cấp : d2= = =0,260 (mm) Chuẩn hoá đường kính : d2 = 0,26 (mm) đường kính có kể đến cách điện : d2cd = 0,31 (mm) 16- Chọn hệ số lấp đầy : kld= 0,7 . với kld= = 8,3 (mm) chọn c= 12mm. 18- chiều dài mạch từ : L= 2.c+3.a =2.12+3.10=54 (mm). 19- chiều cao mạch từ: H= h+2.a = 25+ 2.12=49 (mm). 20- Tính chọn điôt cho bộ chỉnh lưu nguồn nuôi : + Dòng điện hiệu dụng qua điôt : ID.HD = = 0,455 (A) + Điện áp ngược lớn nhất mà điôt phải chịu : UNmax= . U2 =.9=22 (v) + Chọn điôt có dòng định mức: Idm³ Ki . IDMD =10.0,455=4,55 (A) Chọn điôt có điện áp ngược lớn nhất : Un= ku. UNmax=2.22=44 (V) Chọn điôt có các thông số: + dòng điện định mức: Idm = 4,50 (A) + điện áp ngược cực đại của điôt: UN=100 (v). Sau khi thiết kế xong mạch diều khiển ta có sơ đồ lắp phần mạch điều khiển vào mạch động lực như hình vẽ dưới: Hình 5.14 Sơ đồ một kênh điều khiển THIẾT KẾ MẠCH PHẢN HỒI ỔN ĐỊNH DÒNG HÀN LỰA CHỌN MẠCH PHẢN HỒI ỔN ĐỊNH DÒNG ĐIỆN HÀN - Với sự dao động của dòng điện hàn sẽ làm cho hồ quang cháy không ổn định làm cho chất lượng mối hàn không được cao. - Muốn cho chất lượng mối hàn cao thì hồ quang mà ta tạo ra phải cháy ổn định. Muốn cho hồ quang cháy ổn định thì dòng điện hàn phải duy trì ở giá trị ổn định, mà dòng điện hàn thì có sự dao động do rất nhiều yếu tố trong đó nguyên nhân chủ yếu vẫn là do sự thay đổi chiều dài của cột hồ quang, cho nên việc ổn định dòng điện hàn cần đến một mạch phản hồi âm dòng điện. Sơ đồ khối của mạch phản hồi như sau : Hình 5.15. Sơ đồ mạch phản hồi dòng điện - Từ sơ đồ khối ta có Uđk = Uđặt - Uph - Trong đó điện áp phản hồi Uphi tỉ lệ thuận với dòng điện tải Id thông qua hệ số phản hồi Kphi : Uphi = Kph . Id Khi dòng điện hàn Id thay đổi làm cho điện áp Uph thay đổi làm thay đổi điện áp Uđk và làm thay đổi giá góc mở a của thyristor dẫn đến làm thay đổi giá trị điện áp Ud trên tải. Sự ổn định của dòng điện hàn Id được giải thích như sau : Hình 5.16. Quan hệ giữa giá trị điện áp điều khiển và điện áp tải theo góc mở a. - Giả sử do chiều dài cột hồ quang tăng lên làm cho điện trở trên cột hồ quang Rhq cũng tăng lên (vì như ta đã biết điện trở của cột hồ quang tỉ lệ thuận với chiều dài của cột hồ quang) làm cho dòng điện hàn giảm xuống nhỏ hơn dòng điện định mức Id < Idđm. Do dòng điện hàn Id giảm làm điện áp Uph cũng giảm theo từ biểu thức trên ta thấy lúc đó điện áp điều khiển Uđk tăng do đó làm cho góc mỏ a của thyristor giảm làm điện áp trên tải Ud tăng lên. Điện áp Ud tăng làm cho dòng điện tải Id tăng lên và chính sự thay đổi của điện áp Ud đã kéo dòng điện Id trở về giá trị định mức. - Nếu chiều dài cột hồ quang giảm làm cho Rhq giảm làm cho dòng điện hàn Id tăng lên làm tăng giá trị Uph do đó điện áp Uđk giảm do vậy góc mở a của thyristor sẽ tăng lên làm điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu Ud giảm xuống. Điện áp Ud giảm sẽ làm giảm dòng điện Id đưa Id trở về giá trị định mức. Qua đó ta thấy rằng nhờ có sự thay đổi góc mở a của thyristor làm cho điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu Ud thay đổi, nhờ đó mà giá trị dòng điện hàn luôn luôn được giữ một giá trị ổn định do đó có thể nâng cao được chất lượng mối hàn. CHƯƠNG 6: CÁC BỘ PHẬN KHÁC CỦA MÁY HÀN CO2 Các bộ phận khác của máy hàn CO2 như: đầu đẩy dây hàn, bình đựng khí bảo vệ, van giảm áp, đồng hồ đo khí, cáp hàn, súng hàn. Đối với máy hàn bán tự động, bộ cấp dây hàn bao gồm cả đầu đẩy dây, cáp hàn và súng hàn. Như vậy ngoài nguồn điện hàn các bộ phận khác cơ bản chỉ là bộ cấp dây hàn và khí bảo vệ. Căn cứ vào các số liệu đã thiết kế, em chọn các bộ phận đó như sau: 6.1 Bộ cấp dây hàn 6.1.1 Đầu đẩy dây Trong hàn bán tự động, bộ cấp dây hàn có vai trò quan trọng trong việc ổn định chế độ hàn.. Em chọn bộ cấp dây hàn của hãng DEAWO: Hình 6.1. Bộ cấp dây hàn của DEAWO Bảng thông số: DWEMF – 072P Dòng làm việc Đến 350 A Đường kính cấp dây 0,9-1,2 mm Tốc độ cấp dây 1 – 15m/min Cuộn dây Đường kính trong 50 mm Đường kính ngoài 280 mm Chiều rộng 105 mm Trọng lượng 7,4 kg 6.1.2 Súng hàn Ta có thể sử dụng ngay súng hàn đi cùng bộ cấp dây trên, hoặc cũng có thể sử dụng súng hàn khác lắp vào bộ cấp dây trên. Ví dụ sử dụng súng hàn của Trung Quốc: Khí bảo vệ 6.2.1 Ống đựng khí bảo vệ CO2 Đối với hàn hồ quang, vai trò của khí bảo vệ là vô cùng cần thiết, nó giúp hồ quang cháy ổn định, đồng thời bảo vệ vũng hàn khỏi bị ôxy hóa bởi không khí bên ngoài. Khí bảo vệ CO2 thường được đựng dưới dạng lỏng trong bìnhdưới áp suất 150at. Ống đựng khí có nhiều loại, thường được chia theo thể tích của bình. Đối với máy hàn CO2 vừa thiết kế, em chọn loại có thể tích bình là 40l. Hình 6.2. Súng hàn của Trung Quốc Đồng hồ đo khí Đồng hồ đo khí dùng để đo lưu lượng khí thoát ra trong quá trình hàn, đồng thời đo áp suất của khí ra. Đồng hồ đo khí có nhiều loại tùy theo yêu cầu của người sử dụng. Đối với máy hàn hồ quang CO2, đồng hồ đo khí phải có bộ phận nung nóng trước khi ra khỏi van khí để tránh khí CO2 giảm nhiệt độ va khí CO2 bị đóng rắn chặn đường ra của khí. Một số đồng hồ đo khí được giới thiệu ở dưới đây: Đối với máy hàn thiết kế, tác giả chọn đồng hồ đo khí như hình 6.2 b ở trên vì ở đồng hồ này có bộ sấy khí. KẾT LUẬN Với nhu cầu sử dụng máy hàn CO2 cao như hiện nay, việc nghiên cứu, chế tạo máy hàn CO2 ở Việt Nam là yêu cầu cần thiết. Với đồ án được giao, tác giả đã hoàn thành những yêu cầu cơ bản về chế tạo máy hàn. Trong đồ án, gồm những mục chính sau: Chương 1: Tổng quan về sản xuất và sử dụng máy hàn trong môi trường khí bảo vệ CO2. Tác giả đã tìm hiểu về lí do sử dụng máy hàn CO2 và thực tế ứng dụng vào trong sản xuất như thế nào. Chương 2: Cấu tạo và nguyên lý làm việc của biến áp và máy hàn. Trong chương này, tác giả chủ yếu đề cập đến máy biến pá một pha vì máy biến áp ba pha có thể ghép từ 3 máy biến áp một pha. Chương 3: Thiết kế nguồn điện hàn với thông số đã cho. Dựa vào các số liệu đầu bài, tác giả đã áp dụng các công thức trong tài liệu tham khảo để tính toán. Do hạn chế về thời gian và kiến thức nên tác giả chưa hoàn thành một cách chính xác nhất. Chương 4: Một số bộ chỉnh lưu. Thực tế có rất nhiều bộ chỉnh lưu, tác giả đã chọn sơ đồ chỉnh lưu cầu chỉnh lưu 3 pha không đối xứng. Chương 5: Thiết kế nguyên lý bộ điều chỉnh dòng điện và điện áp hàn. Do hạn chế về thời gian và kiến thức nên tác giả chỉ thiết kế cụ thể cho sơ đồ điều khiển không có phản hồi, còn sơ đồ có phản hồi, tác giả chỉ thiết kế nguyên lý của mạch. Chương 6: Các bộ phận khác của máy hàn trong khí bảo vệ CO2 Thông qua việc làm đồ án, giúp em hiểu thêm nhiều kiến thức chuyên ngành hàn, đặc biệt là về thiết bị hàn hồ quang. Để thiết kế một máy hàn hoàn chỉnh đòi hỏi không chỉ kiến thức ngành hàn mà còn cần thêm kiến thức của nhiều ngành khác, đặc biệt là kiến thức về điện tử công suất. Do còn hạn chế về kiến thức điện tử công suất nên quá trình thiết kế chưa thực sự hoàn thiện, còn nhiều thiếu sót, để áp dụng vào thực tế thì cần thiết kế hoàn chỉnh thêm. TÀI LIỆU THAM KHẢO ********* [1] - Điện tử công suất: Lý thuyết – Thiết kế – Ứng dụng, tập 1. Lê Văn Doanh, Nguyễn Thế Công, Trần Văn Thịnh. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà nội 2004. [2] - Thiết kế máy biến áp điện lực. Phan Tử Thụ. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà nội 2006. [3] - Thiết kế máy biến áp. Phạm Văn Bình, Lê Văn Doanh. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà nội 2002. [4] - Máy biến áp: Lý thuyết – Vận hành – Bảo dưỡng – Thử nghiệm. Phạm Văn Bình, Lê Văn Doanh, Tôn Long Ngà. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà nội 2002. [5] - Trang bị điện - điện tử công nghiệp. Vũ Quang Hồi. Nhà xuất bản giáo dục. [6] - Kỹ thuật điện tử. Đỗ Xuân Thụ. Nhà xuất bản giáo dục. [7] - Phân tích và giải mạch điện tử công suất. Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà nội 1999. [8] - Điện tử công suất. Nguyễn Bính. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà nội 2000. [9] - Công nghệ hàn điện nóng chảy, tập 1. Ngô Lê Thông. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà nội 2004. [10] - Kỹ thuật điện. Đặng Văn Đào, Lê Văn Doanh. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà nội 2005. [11] - Tính toán thiết kế thiết bị điện tử công suất. Trần Văn Thịnh. Nhà xuất bản giáo dục. [12] - Máy điện 1. Vũ Gia Hanh, Trần Khánh Hà, Phan Tử Thụ, Nguyễn Văn Sáu. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật.