Chương I : Tổng quan về công nghệ hàn và yêu cầu kỹ thuật đối với nguồn hàn một chiều

I- Tổng quan về công nghệ hàn.

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 :

+ Tiết kiệm nguyên liệu so với các phương pháp gia công khác.

+ Có độ bền cơ học cao, chất lượng mối hàn tốt.

+ Năng suất cao, giá thanh hạ, dễ dàng tự động hoá.

+ Bảo vệ môi trường vệ sinh công nghiệp.

1. Phân loại hàn điện.

Hình 1: Các phương pháp hàn điện

2. Các yêu cầu kỹ thuật đối với nguồn hàn hồ quang.- Điện áp không tải đủ lớn để mồi được nguồn hồ quang.o Khi nguồn hàn là một chiều, điện áp không tải :

1

Hàn điện

Hàn hồ quang

Hàn tay Hàn tự động

Dưới lớp trợ dụng

Trong khí bảo

vệ

Hàn tiếp xúc

Hàn điểm

Một điểm

hai mặt

Hai điểm một mặt

Hàn nối Hàn đường

Điện cực kim loại :U0 min =(30 ÷ 40)V

Điện cực than: U 0 min =(45÷55)V

o Khi nguồn hàn xoay chiều:

U 0 min =(50 ÷ 60)V

- Nguồn hàn phải có khả năng điều chỉnh được dòng điện hàn. Dòng hàn được tính theo công thức sau

I h=(40 ÷ 60)× d .Trong đó:Ih : là dòng hàn ( A ).d : là đường kinh que hàn ( mm).- Nguồn hàn phải có công suất đủ lớn.- Đảm bảo làm việc an toàn ở chế độ làm việc binh thường cũng như khi ngắn mạch.- Đường đặc tính ngoài ( đặc tính V-A ) của nguồn hàn phải dốc và đáp ứng yêu cầu của

từng phương pháp hàn. Dòng ngắn mạch Inm = ( 1,3 ÷ 1,4 ) Ih .+ Đối với phương pháp hàn hồ quang bằng tay thì đường đặc tinh ngoài yêu cầu phải dốc

( mềm ) : đường 1.

Hình 2 : Đặc tính ngoài của nguồn hàn hồ quang.- Điện thế của nguồn hàn phải thay đổi khi chiều dài hồ quang thay đổi, khi chiều dài hồ

quang tăng lên thì nó phải tăng lên, khi chiều dài hồ quang giảm thì nó phải hạ thấp xuống.

2

Các loại nguồn hàn hồ quang

Hàn điện hồ quang

xoay chiều

Biến áp hàn có cuộn

kháng

Máy biến áp hàn

hỗn hợpMáy biến áp hàn có shunt từ

Hàn điện hồ quang

một chiều

Máy phát hàn một

chiềuBộ chỉnh

lưu

3. Các loại nguồn hàn hồ quang.

Hình 3 : Các loại nguồn hàn hồ quang.

Ở đây chúng ta sẽ chỉ tìm hiều về nguồn hàn hồ quang một chiều.4. Nguồn hàn hồ quang một chiều.

Hàn hồ quang một chiều có ưu điểm cơ bản là dòng điện hàn ổn định, chất lượng mối hàn tốt, do đó thích hợp với công nghệ hàn yêu cầu chất lượng cao.

Nhược điểm chính của hàn hồ quang một chiều là đòi hỏi nguồn điện một chiều chế tạo phức tạp, giá thanh cao hơn so với hàn hồ quang xoay chiều.

Các loại máy phát hàn một chiều có cấu tạo phức tạp, vận hành, bảo quản khó khăn nên ngày nay không còn sử dụng. Nguồn chỉnh lưu có điều khiển bằng linh kiện điện tử công suất ngày căng được hoàn thiện và đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp thời hiện đại.

Thế nên lựa chọn phương pháp dùng bộ chỉnh lưu để thiết kế nguồn hàn hồ quang một chiều.

3

CHƯƠNG II : TÍNH CHỌN PHƯƠNG ÁN

Các bộ chỉnh lưu hàn là nguồn hàn một chiều thường dùng cho công nghệ hàn hồ quang. Trong một bộ phận chỉnh lưu hàn gồm hai phần tử chinh là : biến áp hàn và mạch chỉnh lưu dùng điôt hoặc thyristor.

Bộ chỉnh lưu hàn có những ưu điểm sau đây so với máy phát hàn:

- Chất lượng mối hàn cao hơn do nó có thể tạo ra dông hàn ổn định.- Hiệu suất cao, tồn hao không tải thấp.- Phạm vi điều chỉnh dòng hàn và điện áp hàn rộng.- Không có phần quay nên độ tin cậy và tuổi thọ cao.- Có khả năng tự động hoá và chương trình hoá quá trình hàn.

I- SƠ ĐỒ CẤU TRÚC CỦA NGUỒN HÀN HỒ QUANG ĐIỆN MỘT CHIỀU.1. Sơ đồ

Hình 4 : Sơ đồ chung của nguồn hàn hồ quang một chiều

2. GIẢI THÍCH CHỨC NĂNG CỦA TỪNG KHỐI.

- Máy biến áp : có hai nhiệm vụ. Thứ nhất là biến điện áp xoay chiều lấy từ lưới về điện áp một chiều có độ lớn phù hợp với yêu cầu của tải. Thứ hai là làm nhiệm vụ cách ly giữa mạch chỉnh lưu với lưới điện xoay chiều.

- Khối chỉnh lưu có điều khiển: có nhiệm vụ biến dòng điện xoay chiều từ máy biến áp thành dòng điện một chiều. Sau khối này điện áp có dạng nhấp nhô và chất lượng điện áp chưa tốt nên ta phải dùng thêm một bộ lọc.

- Bộ lọc : có thể gồm cuộn cảm L hoặc tụ C hoặc cả L và C. Bộ lọc có tác dụng san phẳng các thành phần sóng hài bậc cao và làm cho điện áp có hệ số đập mạch phù hợp với yêu cầu của tải.

4

Máy biến áp Chỉnh lưu có điều khiển

Mạch điều khiển

Bộ lọc Que hàn

- Mạch điều khiển : có tác dụng tạo ra các xung điều khiển để đưa đến cực điều khiển của các Thyristor hay nói cách khác mạch điều khiển có nhiệm vụ là điển khiển quá trình mở van hoàn toàn tự động. Mạch điều khiển còn phải có khả năng thay đổi góc α trong toàn bộ dải điều chỉnh. Với máy hàn, mạch điều khiển còn cần phải có thêm chức năng bảo vệ khi xảy ra sự cố ngắn mạch tảỉ

II. Các phương án thiết kế bộ chỉnh lưu.

+ chỉnh lưu 1 pha thường được chọn khi nguồn cấp là lưới điện 1 pha, hoặc công suất không quá lướn so với công suất lưới và tải không đòi hỏi chất lượng điện áp 1 chiều cao

+ Chỉnh lưu 3 pha phù hợp với môi trường công nghiệp khi tải sử dụng công suất lớn, chất lượng điện áp cao.

Chỉnh lưu 3 pha có các phương án sau

Vì nguồn 1 chiều yêu cầu dòng hàn lớn nên không sử dụng được chình lưu 1 pha, cung cấp cho nguồn hàn nên không sử dụng được chỉnh lưu không điều khiển. Do đó ta có 3 phương án để chọn:

5

chỉnh lưu 3 pha

chỉnh lưu hình tia 3 pha

chỉnh lưu hình tia dùng diode

chỉnh lưu hình tia 3 pha có điều khiển

chỉnh lưu hình cầu 3 pha

chỉnh lưu cầu 3 pha dùng diode

chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển hoàn

toàn

chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển không

đối xứng

- Qua phân tích ưu và nhược điểm của từng phương án ta thấy mỗi phương án đều có nhưỡng ưu điểm và linh vực ứng dụng riêng. Tuy nhiên dựa vào yêu cầu của để bài thì ta thấy phướng án :”chỉnh lưu điều khiển đối xứng cầu ba pha” là khả thi nhất. Chất lượng điện áp và dòng điện ra là rất tốt do đó sẽ giúp cho ta có nhiều mỗi hàn đẹp và chất lượng cao. Hơn nữa mạch lực và mạch điều khiển thiết kế không quá phức tạp, cuộn kháng dòng điện nhỏ thích hợp cho ta trong việc thiết kế và chế tạo.

- Vì vậy tôi quyết định chọn phương án “CHỈNH LƯU ĐIỀU KHIỂN ĐỐI XỨNG CẦU BA PHA” để thiết kế và tính toán mạch lực.

Chương III: THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN MẠCH LỰC.

I- Sơ đồ mạch lực tổng quát.

6

chỉnh lưu 3 pha

chỉnh lưu tia 3 pha có điều khiển

chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển

chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển không đối xứng

1. Sơ đồ mạch phát xung

2. Sơ đồ mạch van

3. Sơ đồ mạch điều khiển

7

II- Tính toán các thông số mạch lực.

Theo yêu cầu đề bài ta cần phải thiết kế nguồn hàn hồ quang một chiều có các thông số sau:

+ Dòng hàn cực đại : 600 A.

+ Điện áp không tải : 60 V.

Mạch lực gồm bốn bộ phận chính đó là:

+ Máy biến áp lực.

+ Van động lực.

+ Cuộn kháng san phẳng.

+ Các thiết bị bảo vệ.

1. Tính chọn van động lực.

Van động lực được lựa chọn dựa trên các yếu tố cơ bản như : điện áp ngược đặt lên van hay dòng điện trung bình chạy qua van. Các thông số còn lại là các thống số tham khảo khi lựa chọn.

1.1. Tính điện áp ngược lớn nhất đặt lên van.- Điện áp ngược của van : Unv = Knv . U2 (1)

với U2 = UdK sđ

, thay vào 1 ta được

Unv = Knv . U d

K sđ . (2)

Trong đó : Ud, U2 , Unv lần lượt là điện áp tải, điện áp nguồn thứ cấp và điện áp ngược cuả van.

Ud = 60 V.

Knv là hệ số điện áp ngược. ở sơ đồ cầu ba pha thì: Knv = √6 = 2,45.

Ksđ = U d

U 2 f là hệ số điện áp tải. Ở sơ đồ cầu ba pha thì Ksđ = 3√6

π = 2,34 .

8

thay các số liệu vào (2) ta được :

Unv = √6 . 3√6π

.60 = 188,5 V.

Để có thể chọn van theo điện áp hợp lý, điện áp ngược của van cần lựa chọn phải lớn hơn điện áp làm việc, qua hệ số dự trữ KdtU, thông thường KdtU = 1,6 ÷ 2, ở đây ta chọn KdtU = 1,8.

Unv = KdtU . Unv = 1,8 . 188,5 = 340 V.

1.2. Tính dòng điện trung bình chạy qua van.

Dòng điện làm việc của van được chọn thông qua dòng điện hiệu dụng chạy qua van Ilv = Ihd. Dòng điện hiệu dụng được tính bằng : Ihd = Khd . Id

Trong đó:

Id: dòng điện tải hay dòng điện ở đầu ra của chỉnh lưu.

Ihd: dòng điện hiệu dụng chảy qua van.

Khd: hệ số xác định dòng điện hiệu dụng.

Với mạch chỉnh lưu cầu 3 pha thì Khd = I hd

I d =

1√3

.

Vậy : Ilv = Ihd = 600√3

= 346 (A).

Để van bán dẫn có thể làm việc an toàn, không bị đánh thủng về nhiệt thì cần phải có hệ thống toả nhiệt làm mát cho van. Ở đây, ta chọn phương thức làm mát là dùng cánh tản nhiệt với đủ diện tích bè mặt cho phép, không quạt đối lưu không khí. Với phương thức này dòng điện làm việc của van :

Ilv = (20 – 30)% Iđm van

Trong đó : Iđm van là dòng điện định mức của van. ở đây ta chọn Ilv = 25% Iđm van.

Idm van = 4.346 = 1385 (A)

Dựa vào hai thông số:

Unv = 340 V

Idmvan = 1385 A

Ta tra bảng thông số các Thyristor để chọn van có Iđmvan và Unv lớn gần nhất với hai thông số ở trên, ta tìm được như sau :

- Thyristor loại C451E1 có các thông số như sau:+ Điện áp ngược max: Un max = 500 V.+ Dòng điện định mức: Iđm = 1500 A.+ Dòng điện xung điều khiển: Iđk = 200 m A+ Điện áp xung điều khiển: Uđk = 5,0 V.

9

+ Dòng điện rò: Ir = 45 m A.+ Độ sụt áp của van: ΔU = 1,7 V.+ Thời gian chuyển mạch: tcm = 150 µs.+ Nhiệt độ lớn nhất mà van chịu được: Tmax = 125 °C.+ trở kháng nhiệt độ giữa vỏ và chất bán dẫn Rth = 0.0250C/W2. Tính toán máy biến áp lực.2.1. Điện áp chỉnh lưu không tải:- Phương trình cân bằng điện áp khi Thyristor dẫn:Ud0 . cos α = Ud + Δ Uvt + Δ Udn + Δ Uba

Trong đó:

Ud0: điện áp tải khi đã tính sụt áp trên van và máy biến áp.

α : góc điều khiển. ở đây, ta chọn α = 30o để đảm bảo khi lưới điện bị sụt áp thì mạch vẫn có thể duy trì điện áp định mức cho tải.

Δ Uvt = 1,7 V : sụt áp trên Thyristor.

Δ Udn : sụt áp trên dây nối. Δ Udn rất nhỏ so với các sụt áp khác nên có thể bỏ qua.

Δ Uba : sụt áp trên máy biến áp. ở đây ta chọn ΔUba = 6% Ud = 3,6 V.

Vậy : Ud0 = U d+2× ΔU vt+ΔU dn+ΔU ba

cos α = 77,36 V.

2.2. Công suất tối đa của tải:- Pdmax = Ud0 . Id = 77,36 . 600 = 46,41 kW.2.3. Công suất biến áp nguồn cấp:- Sba = Ks . Pdmax Sba là công suất biểu kiến của biến ápKs : hệ số công suất. với sơ đồ cầu ba pha thì Ks = 1,05.Nên Sba = 1,05 . 46,41 = 48,73 kW2.4. Tính toán dòng điện và điện áp của máy biến áp ở cuộn sơ cấp và thứ cấp:

- Điện áp của cuộn thứ cấp là: U2 = Ud0

ku =

77,362,34 = 33 V

- Dòng điện chảy trong cuộn thứ cấp: I2 = √ 23

Id = √ 23

. 600 = 489 A.

- Dòng điện chảy trong cuộn sơ cấp: I1 = Kba . I2 = U2

U1. I 2 =

33380

.489 = 42.4 A.

3. Tính toán mạch bảo vệ3.1. Tính toán mạch trợ giúp van

10

Trong đó Lp,Cp là điện cảm, tụ điện ký sinhRs,Cs là mạch trợ giúp cần tính toánVan đang đóng cắt dòng I0 dưới điện áp E0.Theo phương pháp McMurray ta có:

Z0=√( Lp

C s)

Chọn điện cảm mạch ngoài Lp = 0.3mH

χ = I 0

E0Z0 :hệ số dòng ban đầu

χ2=Lp I 0

2

C s E02 : tỉ số năng lượng ban đầu trong Lp vàC s

ζ =R s

2 Z0:hệ số tắt dần

E1 :điện áp đỉnh E1

E0:điện áp đỉnhtương đối

11

Ta có thông số ban đầu I0 = 600A, E0 = 60v, Lp = 0.3mH, chọn E1 = 100V

E1

E0=1.6

Dựa vào đồ thị ta có:χ = 0.8 ζ =0.9 Từ đó ta tính được

C s=( I 0

E0)

2

( Lp

χ2 )2

=14uF

R s=2 ζ √ Lp

C s=8.3 Ω

3.2. Tính toán dây chảy bảo vệ ngắn mạch và quá dòng trên van3.2.1. Nhóm cầu chì 1 ngắn mạch bên ngoài chọn theo giá trị hiệu dụng của dòng

điện thứ cấp máy biến áp.I 1 cc=1,1 I 2=1,1 . 489=537 (A )

Chọn cầu chì I1cc = 537A3.2.1. Nhóm cầu chì 2 bảo vệ ngắn mạch van

12

I 2cc=1,1 I hd=1,1 . 346=380 (A )

Chọn cầu chì I2cc = 380A3.2.2. Chọn nhóm cầu chì bảo về ngắn mạch phụ tải:

I 3 cc=1,1 I d=1,1. 600=660( A)Chọn cầu chì I3cc = 660A

3.3. Tính toán tản nhiệt cho vanTổn thất công suất trên van được thải ra môi trường dưới dạng nhiệt năng. Nếu lượng nhiệt

này không thoát kịp làm tăng nhiệt độ van, làm đặc tính của van bị thay đổi. Nếu lượng nhiệt này tồn ứ một lượng lớn trong van sẽ gây hiện tượng quá nhiệt và phá hủy van. Do đó cần tính toán vấn đề tản nhiệt cho van.

Công suất tổn thất trên van ∆ P=∆ U × I lv = 1,7. 346 = 588W

Ta tính được trở kháng nhiệt của tản nhiệt yêu cầu:

Rth(h-a) = T j , max−T a

Pth , max−(R th( j−v )+Rthv−h)

Trong đó

T j ,max : là nhiệt độ lớn nhất cho phép của van.Ta : nhiệt độ môi trườngPth , max: tổn thất trên vanRth ( j−v ) : trở kháng nhiệt giữa cấu trúc bán dẫn và vỏRthv−h: trở kháng giữa vỏ và cánh tản nhiệtRth(h-a) : trở kháng giữa cánh tản nhiệt và môi trường. từ đó chọn được diện tích

Với van bán dẫn đã chọn Rth(j-v) = 0,025 oC/WChọn loại tản nhiệt trở kháng từ vỏ ra tản nhiệt Rth(v-h) = 0,05oC/W

Rth(h-a) = 125−40

588−(0,025+0,05) = 0,069oC/W

Ta có diện tích bề mặt tỏa nhiệt

S=∆ P .Rth

tlv−t a=588.0,069

80−40=1.01m2

Trong đó tlv là nhiệt độ làm việc của van chọn = 80oC Chọn cánh tản nhiệt 10 cánh mỗi cánh kích thước 10cm x 10cm

13