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

khung cửa sổ, khung xe đạp, xe máy…đến những chi tiết lớn hơn, hiện đại hơn như tàu vận tải, máy bay, tàu vũ trụ…Để thiết kế được những vật dụng ấy, vai trò của kỹ sư hàn là rất lớn. Nhằm tổng kết những kiến thức đã học qua 5 năm, là sinh viên năm thứ 5 ngành công nghệ hàn, em được giao đồ án tốt nghiệp: “ Thiết kế máy hàn bán tự động trong môi trường khí bảo vệ CO2“. Đồ án không chỉ đòi hỏi những kiến thức chuyên ngành hàn mà còn yêu cầu các kiến thức cơ bản về điện. Được sự hướng dẫn tận tình của thầy Trịnh Duy Long, em đã hoàn thành đồ án được giao. Trong đồ án, gồm các phần chính như sau: Chương 1: Tổng quan về sản xuất và sử dụng máy hàn trong môi trường khí bảo vệ CO2 Chương 2: Cấu tạo và nguyên lý làm việc của biến áp và máy hàn. Chương 3: Thiết kế nguồn điện hàn với các thông số đã cho. Chương 4: Một số bộ chỉnh lưu. Chương 5: Thiết kế nguyên lý bộ điều chỉnh dòng điện và điện áp cho máy hàn CO2 Chương 6: Các bộ phận khác của máy hàn trong khí bảo vệ CO2 Trong quá trình làm đồ án, chắc chắn em không tránh khỏi sơ sót, rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy và các bạn. Em xin cảm ơn sự hướng dẫn giúp đỡ của các thầy trong bộ môn, đặc biệt là thầy Trịnh Duy Long – người đã hướng dẫn em trong suốt quá trình thực tập và làm đồ án tốt nghiệp. Hà Nội, ngày 15 tháng 5 năm 2008 Sinh viên thực hiện: Đào Văn Thái CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SẢN XUẤT VÀ SỬ DỤNG MÁY HÀN TRONG MÔI TRƯỜNG KHÍ BẢO VỆ CO2 Trong những năm gần đây, khi Việt Nam gia nhập tổ chức thương mại thế giới (WTO) nền kinh tế của nước ta đã có những bước phát triển rõ rệt. Các ngành kinh tế đều có những bước phát triển cả về số lượng và chất lượng. Đặc biệt ở Việt Nam khi công nghiệp đang phát triển mạnh mẽ, đóng góp tỉ trọng ngày càng lớn vào nền kinh tế của nước nhà. Cùng với sự phát triển của các ngành công nghiệp, công nghệ hàn cũng ngày càng phát triển như một tất yếu. Công nghệ hàn ngày càng được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như chế tạo máy, xây lắp công trình công nghiệp và dân dụng như nhà cửa, cầu đường…và trong giao thông vận tải…Có thể nói, vai trò của công nghệ hàn là rất quan trọng: từ các vật dụng đơn giản trong gia đình đến các chi tiết máy lớn, từ các phương tiện giao thông thô sơ đến các tàu vũ trụ. Trong công nghệ hàn, công nghệ hàn nóng chảy chiếm một vị trí quan trọng và rất hay gặp trong thực tế. Với ưu điểm là: Có thể hàn được nhiều kim loại khác nhau với nhau. Hàn được nhiều tư thế hàn khác nhau. Khả năng hợp kim hoá mối hàn tốt. trong đó đặc biệt là trang thiết bị đơn giản, dễ chế tạo. Đối với các kết cấu thông thường hay gặp, người ta sử dụng chủ yếu là thiết bị hàn hồ quang, có thể là hàn hồ quang tay, hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ, hay hàn hồ quang dưới lớp thuốc.Trong phạm vi làm đồ án tốt nghiệp, tác giả được giao nhiệm vụ thiết kế máy hàn trong môi trường khí bảo vệ CO2. Công nghệ hàn ra đời cùng với nhu cầu của con người trong thực tiễn cuộc sống. Nhiều phương pháp hàn khác nhau đã ra đời nhằm phục vụ những mục đích khác nhau của con người. Một số phương pháp hàn phổ biến như: hàn hồ quang tay, hàn hồ quang dưới lớp thuốc, hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ, hàn điện xỉ… Trong đó hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ chiếm một vị trí quan trọng. Vì, so với các phương pháp hàn khác, hàn CO2 đáp ứng được các yêu cầu cơ bản của người sử dụng. Khi hàn trong môi trường khí bảo vệ thì khí bảo vệ có thể là khí hoạt tính hoặc khí trơ. Nhờ ưu điểm là rẻ tiền nên khí hoạt tính (chủ yếu là khí CO2) ngày càng được ứng dụng rộng rãi hơn. Đặc điểm khi hàn trong môi trường khí bảo vệ CO2 (cho hàn thép): ưu điểm: Mức độ tập trung cao của nguồn nhiệt hàn bảo đảm chiều rộng nhỏ của vùng ảnh hưởng nhiệt Khả năng biến dạn thấp Chi phí thấp Có khả năng điều chỉnh thành phần hoá học của mối hàn thông qua thay đổi thành phần hoá học của dây hàn. Có thể hàn được nhiều tư thế khác nhau. Nhược điểm: Hồ quang không êm - bắn tóe nhiều, Không thuận lợi cho dịch chuyển dạng tia. Vai trò của của khí bảo vệ CO2 trong mối hàn: khi chịu nhiệt của hồ quang, CO2 bị phân ly thành ôxi nguyên tử và khí CO ở nhiệt độ cao: Khi đó, hồ quang sẽ bị bão hoà ôxi (là chất có điện thế ion hoá cao và ái lực mạnh với điện tử). Các nguyên tử ôxi có thể kết hợp với điện tử để hình thành ion âm; các ion này lại kết hợp với ion dương. Điều này làm giảm lượng các phần tử tích điện trong khoảng không hồ quang. Việc giảm lượng ion dương sẽ làm giảm giá trị điện tích dương gần catot, và các điện tử sẽ không có được sự gia tốc cần thiết tại cùng catot. Một khi động năng yếu, các điện tử dễ bị kết hợp vào các nguyên tử ôxi và các ion dương. Kết quả là mức độ ion hoá giảm mạnh. Điều này còn trầm trọng hơn khi sử dụng dòng hàn xoay chiều: một phần các ion âm tập trung gần anot sẽ làm tăng điện tích thể tích âm tại đó, và khi dòng điện đổi chiều, lúc các điện tích thể tích vùng catot và anot hướng vào nhau, sẽ sảy ra sự kết hợp ion thành nguyên tử. Do đó người ta không sử dụng dòng xoay chiều cho hàn trong CO2 mà sử dụng dòng một chiều cực nghịch [9]. Cấu tạo thông dụng của máy hàn bán tự động CO2 như hình vẽ 1.1: Hình 1.1.Thiết bị hàn hồ quang bán tự động bằng điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ. Thiết bị hàn cơ bản bao gồm: + Nguồn điện hàn + Bộ cấp dây hàn + Bộ phận điều chỉnh chế độ hàn + Súng hàn + Bộ cấp khí bảo vệ + Cáp hàn và ống dẫn khí bảo vệ. 1. Nguồn điện hàn Nguồn hàn điện phổ biến là loại một chiều nối cực dương vào súng hàn và cực âm vào vật hàn (hồ quang ổn định, dịch chuyển kim loại êm, ít bắn tóe trên toàn bộ dải dòng điện hàn). Trong thực tế, trong các loại đặc tuyến, nguồn điện hàn có đặc tuyến thoải (dùng chung với bộ cấp dây hàn có tốc độ cấp dây cố định) cho chiều dài hồ quang tự điều chỉnh thuận tiện cho thao tác, đặc biệt với hàn thép. Đặc tính tự điều chỉnh của hồ quang khi sử dụng nguồn điện hàn với đặc tuyến thoải có tầm quan trọng đặc biệt trong việc tạo ra điều kiện hàn ổn định. Nguồn một chiều cực thuận hầu như không dùng do hồ quang không ổn định và bắn toé nhiều. Nguồn xoay chiều loại cũ ít dùng do hồ quang không ổn định. Nguồn hàn xoay chiều loại mới có chế độ xung cho hồ quang ổn định, ít bắn toé [9]. Tuy nhiên, để tạo điều kiện hàn thuận lợi nhất, cần có thêm điều chỉnh cần thiết khác, đặc biệt cho hàn với chế độ ngắn mạch. Đó là: - Điện áp hồ quang: giá trị của nó không nên chỉ đọc trực tiếp từ bảng điều khiển của máy hàn vì còn có sự sụt giảm điện áp trong mạch điện hàn. Điện áp hồ quang thay đổi theo tỉ lệ thuận với chiều dài hồ quang. - Độ dốc của đặc tuyến của máy hàn là tỷ số giữa thay đổi điện áp và thay đổi tương ứng của dòng điện hàn. Độ dốc này thường là một giá trị không đổi cho nguồn điện hàn cụ thể. Khi mạch điện hàn bị tăng điện trở (thông qua cáp hàn, chỗ nối cáp không hoàn thiện, mặt tiếp xúc bị bẩn) thì độ dốc của đặc tuyến sẽ tăng. Dòng điện ngắn mạch là hàm số của độ dốc của đường đặc tuyến của nguồn điện hàn. Độ dốc càng lớn thì dòng này càng nhỏ. Khi dòng ngắn mạch tối đa có giá trị thích hợp, giọt kim loại nóng chảy sẽ dễ dàng tách ra khỏi điện cực và dịch chuyển vào vũng hàn mà không đi cùng hiện tượng bắn toé. - Độ tự cảm: khi thay đổi tải tức thời tại nguồn điện hàn, dòng điện hàn cần có một thời gian nhất định để đạt được giá trị mới của nó. Độ tự cảm của mạch hàn là đại lượng ảnh hưởng chủ yếu đến sự trễ về thời gian này. Với hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ, các giọt kim loại tách khỏi điện cực và dịch chuyển vào vũng hàn dưới tác động của hiệu ứng Pinch. Hiệu ứng pinch tối đa do giá trị của dòng điện hàn quyết định. Dòng điện hàn này lại phụ thuộc vào đặc điểm của nguồn điện hàn. Tốc độ gia tăng hiệu ứng Pinch phụ thuộc vào tốc độ gia tăng dòng điện hàn. Độ tự cảm của nguồn điện hàn quyết định sự tăng dòng điện hàn này (hình 1.2) [9] . Hình 1.2 Ảnh hưởng của cảm kháng đến mức độ tăng dòng điện Nếu tạo nên hiệu ứng pinch một cách nhanh chóng, giọt kim loại nóng chảy sẽ bị dịch chuyển một cách cưỡng bức ra khỏi đầu điện cực và gây ra hiện tượng bắn toé. Độ tự cảm càng lớn thì tần suất dịch chuyển ngắn mạch của các giọt kim loại vào vũng hàn sẽ càng nhỏ, làm cho thời gian có hồ quang tăng lên. Sự gia tăng thời gian có hồ quang này sẽ làm cho vũng hàn có độ chảy loãng cao hơn, làm cho mối hàn có chiều sâu chảy nhỏ và chiều rộng mối hàn tăng lên. Khi giảm độ tự cảm thì sẽ xảy ra điều ngược lại. Với dạng dịch chuyển tia, việc bổ xung cảm kháng vào nguồn điện hàn sẽ làm hồ quang êm hơn mà không làm giảm giá trị cuối cùng của dòng điện hàn. Tuy nhiên độ tự cảm quá lớn sẽ làm cho đầu điện cực bị dính chặt vào vật hàn khi gây hồ quang. Có thể giữ cho bắn toé ở mức tối thiểu khi có tốc độ tăng dòng điện hàn và có giá trị dòng điện hàn đủ lớn [9]. 2. Bộ cấp dây hàn Bộ cấp dây có tốc độ cấp dây cố định được điều khiển bằng điện tử và bảo đảm sự ổn định cần thiết cho các thông số của chế độ hàn. Các bộ phận của nó thường được bố trí bên trong hộp cấp dây để bảo vệ các chi tiết chuyển động khỏi tác động của thời tiết và bụi. Tốc độ cấp dây thường trong khoảng 1,9 30,5 m/min [9]. 3. Bộ phận điều khiển Thông thường bộ phận điều khiển các thông số hàn thường đi kèm với nguồn điện hàn. Chức năng chính của bộ phận điều khiển hàn là khống chế tốc độ cấp dây hàn. Bộ phận điều khiển cũng khống chế việc bắt đầu và ngưng cấp dây hàn thông qua tín hiệu nhận được từ súng hàn. Khí bảo vệ và dòng điện hàn thường được đưa vào súng hàn thông qua bộ phận điều khiển. Các thiết bị hiện đại ngày nay dựa trên cơ sở sử dụng kỹ thuật biến tần cho phép cải thiện đáng kể các đặc tính công nghệ của hồ quang, đặc biệt trong môi trường CO2 (gây hồ quang gần như tức thời, giảm hiện tượng bắn toé khi hàn, sử dụng điều khiển dạng sang xung của dòng điện hàn) [9]. Súng hàn và phụ kiện: Theo cấu tạo, chụp khí bảo vệ có thể thẳng hoặc cong, được làm mát chủ yếu bằng không khí. Các phụ tùng cơ bản của súng hàn bao gồm: - Bép hàn-ống tiếp điện nằm bên trong chụp khí bảo vệ, thường được chế tạo bằng đồng hoặc hợp kim đồng, dùng để dẫn dòng điện hàn vào dây hàn. ống kẹp điện cực được nối với nguồn điện hàn thông qua cáp hàn. Các ống kẹp có cỡ khác nhau, tuỳ thuộc vào kích thước và kim loại dây hàn. - Chụp khí bảo vệ có nhiệm vụ hướng cột khí bảo vệ vào vũng hàn. Tuỳ theo loại khí và cường độ dòng điện hàn, cần chọn đúng cỡ chụp khí. - Ống dẫn dây hàn được nối với bộ cấp dây hàn và có tác dụng đỡ và dẫn hướng dây hàn tới ống kẹp điện cực. Chi tiết này quan trọng vì nó quyết định việc cấp dây hàn không gián đoạn (không tắc). Bề mặt trong của ống dẫn điện cực có thể làm bằng các loại vật liệu khác nhau tuỳ theo kim loại cơ bản cần hàn ( thép cho hàn thép, hàn đồng; nylon cho hàn nhôm, hàn ma nhê). Ống dẫn điện cực có kích thước phù hợp với kich thước dây hàn sử dụng [9]. - Ống dẫn khí bảo vệ - Ống dẫn nước làm mát, để làm mát cho mỏ hàn có thể bằng khí CO2 thổi ra vũng hàn hoặc dùng nước lưu thông trong mỏ hàn, khi hàn trong môi trường khí bảo vệ CO2 nếu dòng điện hàn lớn hơn 500 A, thì sử dụng làm mát bằng nước. - Cáp hàn - Công tắc điều khiển. 5. Van giảm áp cho khí bảo vệ Van giảm áp có nhiệm vụ cung cấp liên tục khí bảo vệ đã giảm áp cho súng hàn ở áp suất làm việc cố định. Van giảm áp có thể là một hoặc hai cấp (áp suất khí ổn định hơn) và có thể kèm lưu lượng kế. Riêng với khí CO2, còn có bộ nung nóng chống đóng băng khí được cung cấp kèm theo van giảm áp [9]. Có thể thấy, so với các phương pháp hàn khác thì hàn trong môi trường khí bảo vệ CO2 có nhiều ưu điểm, do đó hàn trong môi trường khí CO2 ngày càng được ứng dụng nhiều hơn trong sản xuất. Việc phát triển mạnh công nghệ hàn trong môi trường khí CO2 kéo theo sự phát triển của các thiết bị hàn đi kèm, trong đó có máy hàn CO2. Tình hình phát triển máy hàn CO2 trên thế giới Trên thế giới hiện nay, đã có rất nhiều phương pháp hàn đã được ứng dụng vào sản xuất. Từ các phương pháp đã xuất hiện từ lâu đời như hàn hồ quang tay, hàn dưới lớp thuốc, hàn điện xỉ … cho đến các phương pháp hàn đặc biệt như hàn siêu âm, hàn lade, hàn ma sát…Các phương pháp hàn mới tỏ rõ những ưu điểm nổi bật và đang dần thay thế các phương pháp hàn cổ điển. Tuy nhiên có một phương pháp hàn hồ quang mà vai trò của chúng vẫn rất quan trọng đó là hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ. Nó có ưu điểm hơn ở các phương pháp hàn cổ điển là tính cơ động, chất lượng và năng suất cao. Có thể hàn được nhiều vị trí khác nhau và nhiều kim loại khác nhau. Chúng cũng thuận tiện cho hàn trong các nhà máy vì có khả năng tự động hoá cao. Chúng có ưu điểm hơn ở các phương pháp hàn mới là thiết bị đơn giản và rẻ tiền hơn. Chính vì thế mà hiện nay máy hàn trong môi trường khí bảo vệ vẫn được sản xuất và sử dụng rộng rãi. Trong các máy hàn đó, máy hàn CO2 chiếm một tỷ lệ tương đối lớn trong tổng máy hàn được sản xuất. Các máy hàn mới ra đời được sử dụng nhiều các công nghệ mới nên đáp ứng tốt hơn những yêu cầu của người tiêu dùng. Một số tính năng của các máy hàn hiện nay đó là: Hồ quang cháy ổn định, rất ít bắn toé kim loại khi hàn. Dòng điện hàn và điện áp hàn có thể thay đổi bằng bộ điều khiển từ xa đơn giản. Để tiết kiệm điện năng, máy hàn có bộ tự động ngắt điện nguồn vào máy sau 7 phút không hàn ( không có tác động vào mỏ hàn). Khi hàn chỉ cần bấm công tắc mỏ hàn, máy hàn lại làm việc bình thường. Có thể điều khiển dòng hàn, điện áp hàn và thời gian hàn cho phần cuối đường hàn để tránh tạo ra vết lõm mối hàn ở phần cuối của mỗi chu trình hàn như ở dưới đây: Máy hàn có thể dùng nhiều loại cỡ dây hàn Có chế độ chọn dây hàn hoặc dây hàn có lõi thuốc. Nhiều hãng sản xuất lớn như ESAB - Thuỵ Điển; SAF - Pháp; LINCONL - Mỹ; Panasonic - Nhật; Deawo - Hàn Quốc…Dưới đây là một số máy hàn của các hãng: Hệ máy hàn do hãng Panasonic sản xuất được điều khiển bằng Tiristo, hệ thống máy hàn bán tự động với bộ điều khiển từ xa. Một số ưu điểm của hệ máy hàn trên là: - Dễ dàng điều chỉnh bằng bộ điều khiển từ xa - Hồ quang tự điều chỉnh khi thay đổi khoảng cách vùng nóng chảy Hình 1.3. Máy hàn bán tự động của hãng Panasonic - Sử dụng 3 loại dây hàn có đường kính khác nhau - Bảo vệ ngắn mạch là chức năng có sẵn trên máy - Dòng hàn và điện áp hàn khi kết thúc dễ dàng điều chỉnh được - Làm sạch bép hàn và điều chỉnh thời gian cháy sau - Bảng điều khiển tích hợp các tính năng dễ quan sát và dễ vận hành - Nhờ công nghệ độc đáo mà giảm được bắn toé và ổn định hồ quang. Bảng thông số kỹ thuật (trang bên): 2. Tình hình phát triển máy hàn CO2 tại Việt Nam Ở Việt Nam, các máy hàn CO2 ngày càng được sản xuất và sử dụng rộng rãi. Các công ty, nhà máy sản xuất lắp ráp máy hàn ngày càng nhiều. Trong đó có các công ty như: Công ty TNHH Hoa Thịnh - đại lý phân phối độc quyền các sản phẩm hàn, cắt kim loại của tập đoàn ITW - Mỹ. Công ty TNHH Nam Phát (Tp.HCM) - nơi sản xuất máy hàn STARMIG NWM 03 250 sau 4 năm nghiên cứu và đã đưa vào sản xuất. Thiết bị hàn Phong Dủ là đại lý chính thức, đầu tiên phân phối các thiết bị hàn & cắt kỹ thuật cao của nhà sản xuất chuyên nghiệp và hàng đầu của Malaysia - WIM (Welding Industries Malaysia Sdn. Bhd) & Đài Loan - HERO (Hero Power Corporation tại thị trường Việt Nam. Ngoài ra còn có một số công ty khác như Kim Đại Hưng, Tân An Phát…cũng đã và đang phát triển máy hàn CO2. Một số máy hàn của các hãng được giới thiệu dưới đây (hình 1.4). Loại máy YM -200KR2 YM -350KR2 YM -500KR2 Nguồn hàn DC YD -200KR2 YD -350KR2 YD -500KR2 Phương pháp điều khiển Tiristo Tiristo Tiristo Nguồn vào 3pha/380V 3pha/380V 3pha/380V Công suất định mức (kVA) 7.6 ( 6.5kW) 18.1( 16.2kW) 31.9( 28.1kW) Tần số ( Hz ) 50/60 50/60 50/60 Dòng hàn ra (A) 50-200 60-350 60-500 Dòng Carter (A) 50-200 60-350 60-500 Điện áp ra (V) 15-25 16-36 16-46 Điện áp Carter (V) 15-25 16-36 16-46 Chu kỳ làm việc (%) 60 50 60 Loại dây hàn sử dụng Đặc/ lõi thuốc Đặc/ lõi thuốc Đặc/ lõi thuốc Bộ cấp dây YW-35KB YW-35KB YW-50KB Đường kính dây hàn (mm) 0.8/0.9/1.0/1.2 0.8/0.9/1.0/1.2 1.2/1.4/1.6 Chiều dài cáp (m) 15 15 15 Loại mỏ hàn YT-20CS3 YT-35CS3 YT-50CS3 Chiều dài súng hàn (m) 3 3 3 Hình 1.4 Máy hàn của công ty Tân Thành Ngoài ra còn có nhiều loại máy hàn với các công suất khác nhau của nhiều hãng khác nhau để phục vụ rộng rãi cho người tiêu dùng. 3. Lý do và xu hướng phát triển của máy hàn CO2 tại Việt Nam Ngay từ khi mới du nhập vào Việt Nam, hàn trong môi trường khí bảo vệ CO2 đã được tiếp nhận rộng rãi vì nhiều lý do khác nhau: - Nó đảm bảo tính kinh tế, nhất là khi nền kinh tế của Việt Nam còn đang trong quá trình tiến lên công nghiệp hoá, hiện đại hoá. - Đảm bảo tính linh động khi có thể hàn được nhiều tư thế khác nhau, nhiều kim loại khác nhau. Thuận tiện cho các cơ sở sản xuất có quy mô vừa và nhỏ. - Đảm bảo được cơ tính đạt yêu cầu với người sử dụng. - Có khả năng tự động hoá cao, nhằm nâng cao năng suất và quy mô sản suất. Chính vì nhiều lý do trên mà công nghệ hàn khí CO2 đang được phát triển rất rộng rãi ở nước ta. Mặc dù hiện nay nhiều phương pháp hàn mới ra đời nhưng chắc chắn phương pháp hàn trong môi trường khí bảo vệ CO2 vẫn sẽ chiếm một vị trí quan trọng trong các công nghệ hàn của nước ta. Tuy nhiên để có được điều đó chắc chắn công nghệ hàn CO2 cần có nhiều thay đổi, đặc biệt là về máy hàn. Máy hàn CO2 phải luôn được cải tiến, ứng dụng những thành tựu mới nhất của khoa học công nghệ để nâng cao chất lượng máy, cải thiện chất lượng mối hàn. Trong thời gian gần đây, một thế hệ mới thiết bị hàn điều khiển bằng kỹ thuật số đã có mặt trên thị trường [9]. Các nguồn điện hàn như vậy mở ra những cơ hội mới để tăng khả năng kết nối với một loại thiết bị ngoại vi (robot, bộ cấp dây hàn, bộ điều khiển từ xa…), cải thiện quá trình gây và cháy của hồ quang cũng như đem lại nhiều lợi thế về mặt tỷ lệ giá cả/tính năng. CHƯƠNG 2: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA BIẾN ÁP VÀ MÁY HÀN 2.1 Giới thiệu về biến áp một pha 2.1.1. Khái niệm Máy biến áp là một thiết bị điện từ tĩnh, làm việc dựa trên nguyên lí cảm ứng điện từ, biến đổi một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp này thành một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp khác, với tần số không thay đổi[10]. Đầu vào của biến áp được nối với lưới điện, được gọi là sơ cấp. Đầu ra của biến áp được nối với tải gọi là thứ cấp. Khi điện áp đầu ra thứ cấp lớn hơn điện áp vào sơ cấp ta có máy biến áp tăng áp. Khi điện áp đầu ra thứ cấp nhỏ hơn điện áp vào sơ cấp ta có máy biến áp hạ áp. Các đại lượng và thông số của máy biến áp Hình 2.1. Máy biến áp + U1 : Điện áp sơ cấp (V). + I1 : Dòng điện qua cuộn sơ cấp (A) + W1 : Số vòng dây cuộn sơ cấp (vòng). Các đại lượng và thông số của đầu thứ cấp. + U2 : Điện áp thứ cấp (V). + I2 : Dòng điện qua cuộn thứ cấp (A). + P2 : Công suất thứ cấp (W). + W2 : Số vòng dây cuộn thứ cấp (vòng). 2.1.2 Cấu tạo biến áp Máy biến áp có 2 bộ phận chính đó là : Mạch từ và Dây quấn. 2.1.2.1 Mạch từ máy biến áp. Mạch từ máy biến áp dùng để dẫn từ thông chính của máy, được chế tạo từ những vật liệu dẫn từ tốt như thép lá kĩ thuật điện. Ngày nay loại tôn cán lạnh được sử dụng chủ yếu trong công nghệ chế tạo lõi sắt, do tôn cán lạnh là loại tôn có vị trí sắp xếp các tinh thể gần như không đổi và có tính dẫn từ định hướng, do đó suất tổn hao giảm 2 đến 2,5 lần so với tôn cán nóng. Độ từ thẩm thay đổi rất ít theo thời gian, dùng tôn cán lạnh cho phép tăng cường độ từ cảm trong lõi sắt lên tới 1,6 đến 1,65 T (Tesla), trong khi đó tôn cán nóng chỉ tăng được từ 1,3 đến 1,45T. từ đó giảm được tổn hao trong máy, dẫn đến giảm được trọng lượng kích thước máy, đặc biệt là rút bớt đáng kể chiều cao của máy biến áp, rất thuận tiện cho việc chuyên chở. Tuy nhiên tôn cán lạnh giá thành có đắt hơn, nhưng do việc giảm được tổn hao và trọng lượng máy nên người ta tính rằng những máy biến áp được chế tạo bằng loại tôn này trong vận hành vẫn kinh tế hơn máy biến áp được làm bằng tôn cán nóng [12]. Mạch từ gồm 2 bộ phận chính đó là trụ và gông. Trụ là nơi để đặt dây quấn. Gông là phần khép kín mạch từ giữa các trụ. Trụ và gông tạo thành mạch từ khép kín. Lá thép kĩ thuật điện được sử dụng thường có độ dày từ (0,30 tới 0,5) mm hai mặt được sơn cách điện. Theo sự phân bố sắp xếp tương đối giữa trụ gông và dây quấn mà ta có các loại mạch từ như sau : mạch từ kiểu trụ và mạch từ kiểu bọc [12]. Đối với máy hàn, chủ yếu là dùng mạch từ kiểu trụ * Mạch từ kiểu trụ (hình 2.2): Dây quấn ôm lấy trụ sắt, gông từ chỉ giáp phía trên và phía dưới dây quấn mà không bao lấy mặt ngoài của dây quấn, trụ sắt thường bố trí đứng, tiết diện trụ có dạng gần hình tròn, kết cấu này đơn giản, làm việc bảo đảm, dùng ít vật liệu, vì vậy hiện nay hầu hết các máy biến áp đều sử dụng kiểu mạch từ này [12]. Hình 2.2. Kết cấu mạch từ kiểu trụ. 2.1.2.2 Dây quấn máy biến áp Dây quấn là bộ phận dẫn điện của máy biến áp, làm nhiệm vụ thu năng lượng vào và truyền năng lượng ra. Kim loại làm dây quấn thường bằng đồng, cũng có thể bằng nhôm ( ít phổ biến). Dây quấn gồm nhiều vòng dây và được lồng vào trụ mạch từ giữa các vòng dây, dây quấn có cách điện với nhau và các cuộn dây được cách điện với lõi. Dây quấn máy biến áp gồm có 2 cuộn cuộn cao áp và cuộn hạ áp. Theo cách sắp xếp dây quấn cao áp và hạ áp, người ta chia ra hai loại dây quấn chính đó là : Dây quấn đồng tâm và dây quấn xen kẽ [12]. Trong máy hàn người ta chủ yếu dùng phương pháp nối dây quấn đồng tâm. Dây quấn đồng tâm: Cuộn cao áp và hạ áp là những hình ống đồng tâm ,bố trí cuộn hạ áp đặt sát trụ còn cuộn cao áp đặt ngoài .Bố trí cuộn cao áp đặt ngoài sẽ đơn giản đuợc việc rút đầu dây điều chỉnh điện áp cũng như giảm được kích thước rãnh cách điện giữa các cuộn dây và giữa cuộn dây với trụ [12]. Hình 2.3. Dây quấn đồng tâm 2.1.3 Làm mát máy biến áp 2.1.3.1 Sự lão hoá cách điện Khi biến áp làm việc, dòng điện chạy trong dây quấn, từ trường trong lõi thép sinh các tổn hao công suất biến thành nhiệt làm nóng các chi tiết trong máy. Sự tăng nhiệt làm giảm khả năng sử dụng vật liệu tác dụng, khi tăng nhiệt độ thì vật liệu cách điện sẽ bị lão hoá [4]. Để vận hành hợp lý máy biến áp phải có quy định nhiệt độ cho phép lớn nhất. Đối với các máy hàn nhiệt độ lớn nhất cho phép 850C. 2.1.3.2.Các phương thức truyền nhiệt Nhiệt được truyền từ máy hàn ra môi trường qua các vật liệu thể rắn, lỏng, khí. Truyền nhiệt qua thể rắn dưới dạng dẫn nhiệt, qua thể lỏng và khí ở dạng đối lưu. Ở vỏ máy biến áp còn được truyền ra môi trường xung quanh dưới dạng bức xạ [4]. Trong máy hàn người ta làm mát bằng phương pháp thổi gió nhân tạo. Có hai biện pháp giải quyết sau: - Dùng một vài quạt lớn thổi gió qua hệ thống ống tới cánh tản nhiệt. Phương án này có ưu điểm là động cơ quạt lớn, có hiệu suất cao, nhưng có nhược điểm là phải thổi gió qua ống, gây tổn hao năng lượng. - Dùng nhiều quạt nhỏ, mỗi quạt thông gió cho 2-4 cánh tản nhiệt. Phương pháp này có ưu điểm là có thể tuỳ thuộc vào điều kiện mang tải của biến áp để quyết định số lượng quạt làm việc. Ở các máy hàn, người ta thường sử dụng một quạt gió để thổi từ đầu này sang đầu kia để giảm nhiệt. Các thiết bị làm mát chủ yếu để làm mát cho hệ thống các van bán dẫn. Máy hàn thiết kế ứng với làm mát bằng thổi gió nhân cưỡng bức, khi vận hành không thổi gió thì phải giảm công suất của máy theo điều kiện sau [4]: 1.Tỉ lệ tổn hao đồng và tổn hao sắt từ ứng với phụ tải định mức là: (2.1) 2.Tỷ lệ nhiệt năng tiêu tán (Pcb) có thổi gió ở công suất định mức và tiêu tán (Ptn) khi không thổi gió mà vẫn đảm bảo không quá nhiệt là: (2.2) 3.Công suất tương ứng với tổn hao ở mục 2 là: (2.3) Hay Stn = x.Scb , từ đó ta có Pd.tn= x2. Pd.dm b = (2.4) x = hoặc là Stn = Scb. (2.5) Ví dụ nếu a =5: b = 1,8 thì x = 0,68: nghĩa là khi máy biến áp làm việc không có quạt gió thì sẽ giảm 68% công suất định mức. Thiết bị làm mát quyết định trị số b lớn hay nhỏ, nếu b lớn tức là bề mặt cánh tản nhiệt nhỏ, rẻ tiền hơn và thuận tiện trong khâu vận chuyển máy. 2.1.4 Nguyên lý làm việc của máy biến áp Nguyên lý làm việc của máy biến áp dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ và sử dụng từ thông biến thiên của lõi thép sinh ra [10]. Các cuộn dấy sơ cấp và thứ cấp trong một máy biến áp không có liên hệ với nhau về điện mà chỉ có liên hệ với nhau về từ. Xét sơ dồ nguyên lý của một máy biến áp 1 pha có 2 dây quấn w1 và w2 như hình vẽ hình 2.4 Hình 2.4. Nguyên lý làm việc của máy biến áp Khi đặt một điện áp xoay chiều u1 vào dây cuốn sơ cấp, sẽ có dòng điện i1 chạy trong dây quấn w1. Dòng điện i1 sinh ra từ thông biến thiên chạy trong lõi thép, từ thông này móc vòng (xuyên qua ) đồng thời cả 2 dây quấn w1 và w2, được gọi là từ thông chính. Theo định luật cảm ứng điện từ, sự biến thiên của từ thông làm cảm ứng vào dây quấn sơ cấp sức điện động là: e1= - W1 , (2.6) Và cảm ứng vào dây quấn thứ cấp sức điện động là: e2= - W2 , (2.7) Trong đó: W1, W2 là số vòng của dây quấn sơ cấp và thứ cấp. Khi máy biến áp không tải, dây quấn thứ cấp hở mạch, dòng điện thứ cấp I2 = 0, từ thông chính trong lõi thép chỉ do dòng sơ cấp I1 sinh ra. Khi máy biến áp có tải, dây quấn thứ cấp nối với tải có tổng trở Zt, dưới tác động của sức điện động e2, có dòng điện thứ cấp i2 cung cấp điện cho tải. Khi ấy từ thông chính do đồng thời cả 2 dòng sơ cấp I1 và thứ cấp I2 sinh ra. Điện áp U1 hình sin nên từ thông cũng biến thiên hình sin, ta có: (2.8) e1 = -W1. = 4,44.fW1. = E1. . (2.9) E2 = -W2. = 4,44.fW2. = E2. . (2.10) Trong đó: (2.11) (2.12) E1, E2 là trị số hiệu dụng sức điện động sơ cấp, thứ cấp. Nhìn vào công thức (2.9) và (2.10) ta thấy: sức điện động thứ cấp và sơ cấp có cùng tần số, nhưng trị số hiệu dụng khác nhau. Nếu chia E1 cho E2, ta có: (2.13) k được gọi là hệ số máy biến áp. Nếu bỏ qua điện trở dây quấn và từ thông tản ra ngoài không khí, có thể coi gần đúng U1 ≈ U2, E1 ≈ E2 ta có: (2.14) Nghĩa là tỷ số điện áp sơ cấp và thứ cấp đúng bằng tỷ số vòng dây. Đối với máy biến áp tăng áp có : U2 > U1 ; W2 > W1; Đối với máy biến áp hạ áp có : U2 < U1 ; W2 < W1, Như vậy dây quấn sơ cấp và thứ cấp không có liên hệ với nhau về điện nhưng nhờ có từ thông chính, năng lượng đã được truyền từ dây quấn sơ cấp sang thứ cấp. Nếu bỏ qua tổn hao trong máy biến áp, có thể coi gần đúng, quan hệ giữa các đại lượng sơ cấp và thứ cấp như sau [10]: U2.I2 = U1.I1 Hoặc (2.15) 2.2 Biến áp ba pha 2.2.1. Cấu tạo của biến áp ba pha Biến áp ba pha có thể coi như là 3 máy biến áp một pha ghép lại với nhau được thể hiện như hình dưới : Hình 2.5 Biến đổi điện áp ba pha ABC sang abc nhờ 3 biến áp một pha Hình 2.6 Nguyên lý cấu tạo của máy biến áp 3 pha 2.2.2 Nối dây máy biến áp 3 pha Có nhiều cách nối dây máy biến áp khác nhau được thể hiện qua hình dưới (hình 2.7). Các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp có thể nối theo hình sao hay tam giác. Do vậy có thể có các cách nối sao – sao, tam giác – tam giác, sao – tam giác, và tam giác – sao. Với cùng một cách nối, chẳng hạn nối sao – sao, có thể nối các đầu cuộn hay cuối cuộn sơ cấp hoặc hạ cấp khác nhau như hình trên. Do đó, các góc lệch pha giữa các cuộn sơ cấp và hạ cấp của một pha có thể khác nhau: có thể trùng pha hay ngược pha (hình 2.7)[5]. Hình 2.7 Các cách nối các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp biến áp ba pha và góc lệch pha tương ứng giữa điện áp sơ cấp và thứ cấp 2.3 Biến áp trong máy hàn CO2 Đối với nguồn điện hàn cần thiết kế, ta chọn biến áp hàn 3 pha hạ áp + bộ chỉnh lưu. Đối với máy hàn đặc biệt chú ý đến yêu cầu về nguồn điện hàn. 2.3.1 Yêu cầu đối với nguồn điện hàn hồ quang Đối với hàn hồ quang một chiều, yêu cầu quan trọng nhất là hồ quang sau khi được tạo ra phải cháy ổn định. Vì sự ổn định của hồ quang hàn đảm bảo cho chất lượng mối hàn tốt, hình dáng đẹp. Để hồ quang hàn được ổn định thì cần có một số yêu cầu sau : 2.3.1 Yêu cầu về sự ổn định tĩnh của nguồn điện hàn hồ quang Sự ổn định tĩnh của hồ quang chỉ xét sự tồn tại của hồ quang hàn mà không xét đến quá trình chuyển dịch của kim loại từ que hàn, dây hàn (điện cực) vào vũng hàn (vùng hồ quang). Đường đặc tính tĩnh của hồ quang hàn được biểu thị trên hình 2.8: Hình 2.8. Đường đặc tính tĩnh của hồ quang Đó là mối quan hệ giữa điện áp hồ quang Uhq và dòng điện hồ quang Ihq. Đường đặc tính tĩnh của hồ quang được chia ra làm 3 đoạn chính: - Đoạn AB: đường đặc tính dốc, khi mật độ dòng điện hàn < 12 A/mm2 - Đoạn BC: đường đặc tính cứng, khi mật độ dòng điện: 12 A/mm2 < j 80-100 A/mm2 - Đoạn CD: đường đặc tính tăng, khi mật độ dòng điện: j 80-100 A/mm2 Khi chiều dài hồ quang thay đổi thì đường đặc tính tĩnh của hồ quang cũng thay đổi theo (lhq1 < lhq2) hoặc khi đường kính điện cực khác nhau thì hình dạng của đường đặc tính tĩnh của hồ quang cũng bị thay đổi (d1 < d2 <d3), được mô tả như trên hình 2.9 Hình 2.9. Sự thay đổi của đặc tính tĩnh khi hàn Để hồ quang cháy ổn định thì hệ số ổn định hồ quang: Ko = >0 Trong đó: - điện trở động của hồ quang - điện trở động của nguồn điện hàn Ko - điện trở động của hệ thống nguồn điện - hồ quang hàn. 2.3.2 Đặc tính ngoài của nguồn điện Đường đặc tính ngoài là quan hệ giữa Unguồn và Ihq Ung = f(Ihq) Hiện nay các nguồn điện hàn được sản xuất trên thế giới có đường đặc tính ngoài ở 5 dạng cơ bản như trên hình 2.10 Hình 2.10. Đường đặc tính ngoài của nguồn điện 1- Đường đặc tính dốc : <0 2- Đường đặc tính thoải: <0 (dốc ít hơn so với đường 1) 3 - Đường đặc tính đứng: <0 (giảm mạnh hơn đường 1) 4 – Đương đặc tính cứng: (điện áp hầu như không thay đổi khi Ihq thay đổi) 5. Đường đặc tính tăng: > 0 Ta xét sự ổn định của hồ quang khi có cùng đường đặc tính tĩnh của hồ quang nhưng có đặc tính ngoài khác nhau (hình 2.11) : Ta thấy: khi chiều dài lhq thay đổi lhq2 > lhq1 thì điện áp hồ quang cũng bịthay đổi theo Uhq2 > Uhq1 làm cho hồ quang mất ổn định. Dòng điện hàn cũng bị thay đổi theo. Loại nguồn điện nào cho độ thay đổi dòng điện ít thì tạo được hồ quang ổn định hơn. Nhìn trên hình 2.11 ta thấy rằng: nguồn điện hàn có đặc tính dốc ít hơn thì khi chiều dài hồ quang thay đổi sẽ là._.m dòng hàn thay đổi ít hơn so với nguồn điện hàn có đặc tính cứng. Hình 2.11. Ảnh hưởng của đường đặc tính ngoài đến độ ổn định của hồ quang Như vậy, nguồn hàn có đặc tính càng dốc thì khi hàn sẽ tạo được hồ quang càng ổn định. Mặt khác, để tạo được đặc tính dốc cho nguồn điện hàn thì điện kháng X trong biến áp phải lớn, được thể hiện trên hình 4.12. Điều đó làm cho số lượng dây quấn trong biến áp tăng lên kéo theo sự tăng giá thành của máy hàn. Tóm lại, đối với đặc tính ngoài của nguồn điện, khi đặc tính càng dốc thì sẽ cho hồ quang càng ổn định khi hàn. Tuy nhiên giá thành của nguồn có đặc tính dốc sẽ đắt hơn so với nguồn có đặc tính khác. Vì vậy, tùy theo yêu cầu của từng phương pháp hàn mà ta nên chọn đường đặc tính ngoài sao cho hiệu quả nhất. Hình 4.12. Quan hệ giữa điện kháng X và đặc tính ngoài. Sự ổn định của hồ quang hàn không chỉ phụ thuộc vào đặc tính ngoài của nguồn điện mà còn phụ thuộc vào đặc tính tĩnh của nguồn điện hàn. Ta xét sự ốn định của hồ quang hàn khi có cùng đường đặc tính ngoài như nhau nhưng đặc tính tĩnh khác nhau (hình 2.13): Hình 2.13. Sự ổn định của hồ quang khi có đặc tính tĩnh khác nhau Đường 1: <0 Đường 2: Đường 3: > 0 Nhìn từ hình vẽ ta thấy: khi chiều dài hồ quang bị thay đổi thì điểm A0 bị dịch chuyển lên điểm A1. Các đường đặc tính tĩnh của hồ quang bị dịch chuyển: 1dịch lên 1’ ; 2 dịch lên 2’ và 3 dịch lên 3’. Tương ứng ta có các giá trị dòng điện thay đổi . Ta thấy rằng khi đường đặc tính tĩnh của hồ quang tăng, thì dòng điện hàn thay đổi ít hơn so với đặc tính tĩnh của hồ quang ở đoạn cứng và dốc (nghĩa là đường đặc tính tĩnh tăng sẽ cho hồ quang ổn định hơn đặc tính cứng và dốc). Khi hàn bán tự động trong môi trường khí bảo vệ CO2, dây hàn được đẩy vào vùng hồ quang nhờ cơ cấu động cơ đẩy dây tự động. Do vậy, ta có thể chọn mật độ dòng điện cao j > 80-100 A/mm2 (tức là đường đặc tính tĩnh ở đoạn tăng-cho hồ quang ổn định) và đường kính dây hàn nhỏ dây hàn = 0,8-1,2 mm. Khi chọn đường đặc tính tĩnh tăng ; để thỏa mãn hệ số ổn định Kô >0, ta có thể sử dụng nguồn điện hàn có đặc tính ngoài cứng Kô = [() – ()] >0 Khi sử dụng nguồn hàn có đặc tính ngoài cứng, không những đảm bảo hồ quang cháy ổn định mà giá thành chế tạo giảm do giảm được số lượng lõi thép từ và dây quấn. 2.3.3. Yêu cầu đối với điện áp không tải Khi hàn hồ quang một chiều: U20 = 45 – 50 (V). 2.3.4. Yêu cầu với dòng ngắn mạch Trong quá trình hàn thường xuyên xảy ra hiện tượng ngắn mạch do kim loại từ que hàn chuyển dịch vào mối hàn làm cho dòng ngắn mạch lớn, có thể gây hỏng. Do vậy yêu cầu quy định : Ingắn mạch = (1,4-2)Ihàn = (1,4 - 2)350 = (490 - 700) A 2.3.5 Yêu cầu đối với tính chất động của nguồn điện hàn Tính chất động của nguồn điện hàn được đặc trưng bởi tải động của nguồn điện, tải này là một chu trình tuần hoàn: ngắn mạch, gây hồ quang, hồ quang cháy ổn định. Các quá trình chuyển từ giai đoạn này sang giai đoạn khác rất nhanh nhưng không phải tức thời, thời gian này được xác định bằng quán tính điện từ của nguồn điện. Quán tính điện từ càng lớn thì quá trình chuyển dịch từ giai đoạn này sang giai đoạn khác càng chậm. Trong giai đoạn ấy, U và I có trị số khác với chế độ làm việc ổn định làm quá trình hàn sẽ không ổn định. Tốc độ thay đổi dòng điện từ giai đoạn này sang giai đoạn khác biểu thị tính chất động của nguồn điện. Tất cả các máy hàn đều có tính chất động sao cho thời gian phục hồi đến điện áp 25 (V) không lớn hơn 0,05 giây Nếu thời gian phục hồi điện áp tph quá nhanh thì I tăng nhanh sẽ ảnh hưởng đến bắn toé kim loại trong quá trình hàn. Quan hệ giữa hệ số bắn toé và điện cảm L như hình vẽ dưới: Hình 2.14. Quan hệ giữa hệ số bắn toé K và điện cảm L Khi điện cảm L lớn, thì hệ số bắn toé K giảm, nhưng khi đó sẽ xảy ra hiện tượng bón cục. Do đó, khi chế tạo máy biến áp phải tính chế tạo L cho phù hợp. Người ta đưa ra hệ số ổn định động (KĐ ) để biểu thị quá trình này: KĐ = Ihq(pic)/ Ihqô = 1 2,5 Trong đó: Ihq(pic) – dòng điện hàn cực đại Ihqô – dòng hồ quang ổn định Kết luận: như vậy yêu cầu đối với nguồn điện hàn cho hàn bán tự động trong môi trường khí bảo vệ CO2: 1. Nguồn điện hàn có đặc tính ngoài cứng. 2. Đặc tính tĩnh của hồ quang tăng (mật độ dòng điện j >80 100 A/mm2) 3. Điện áp không tải U20 = 45 50 V 4. Dòng điện ngắn mạch Ing = (1,4 2)Ihqmax = (490 700) A 5. Thời gian phục hồi điện áp đến 25 V (điện áp có thể gây được hồ quang) không lớn hơn 0,05 giây. 6. Hệ số ổn định động KĐ = 1 2,5. Căn cứ vào điều kiện này,tác giả tiến hành thiết kế nguồn hàn CO2. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ NGUỒN ĐIỆN HÀN VỚI CÁC THÔNG SỐ ĐÃ CHO Các thông số mà đề bài cho: Nguồn vào ba pha: 380 V Công suất nguồn hàn: 18 KVA Khoảng điều chỉnh dòng hàn: 60 - 350 A Điện áp hàn: 16 - 36 V Điện áp tạo hồ quang: 16 - 36 V Chu kỳ làm việc: 60 % Với yêu cầu chất lượng dòng hàn một chiều tốt, nên cấu tạo của máy hàn gồm có các bộ phận sau : Biến áp ba pha Bộ chỉnh lưu biến dòng xoay chiều thành một chiều Bộ phận điều khiển dòng điện Tuân theo các bước thiết kế bộ chỉnh lưu công suất tác giả tiến hành theo các bước sau [1]: 1.Tìm hiểu yêu cầu công nghệ của tải mà bộ nguồn phải cấp. 2.Chọn sơ đồ mạch động lực. 3.Tính chọn các thiết bị cơ bản của mạch động lực chỉnh lưu bao gồm : - Tính chọn biến áp nguồn,. - Tính chọn các thông số định mức cơ bản của các linh kiện bán dẫn công suất. - Tính chọn các thiết bị đóng ngắt, bảo vệ. 4.Tính toán các đặc tính vận hành cơ bản của bộ phận chỉnh lưu. 5.Tính thiết kế mạch điều khiển. Sau khi định hướng các bước làm, tác giả đi vào từng vấn đề cụ thể. 3.1 Yêu cầu đối với tải Biến áp thiết kế phải thỏa mãn yêu cầu đối với nguồn điện hàn như trình bày ở mục 2.3 trong luận văn này. 3.2 Lựa chọn sơ đồ thiết kế - Việc chọn sơ đồ chỉnh lưu cho tải hàn hồ quang điện một chiều được căn cứ vào đặc điểm vào 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. Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý mạch động lực 3.3 : Tính toán máy biến áp (Các công thức trong chương 3 lấy trong tài liệu [1]) Chọn máy biến áp hàn 3 pha 3 trụ có sơ đồ nối dây Y/Y, làm mát bằng quạt. Tính các thông số cơ bản của máy biến áp: 1.Công suất biểu kiến của máy biến áp (S) (ghi trên máy) S = 18 KVA = 18000 VA 2.Điện áp pha sơ cấp máy biến áp (U1) V U1 = (V) (do nối Y nên U1d = U1) Trong đó: U1d , U1 - điện áp dây và điện áp pha sơ cấp biến áp (V) 3.Điện áp pha thứ cấp máy biến áp (U2) Ta có: U2 =Ud0/KU - Khi không có tải, V (thỏa mãn yêu cầu đối với nguồn điện hàn) Với Ud0 - điện áp không tải của máy biến áp (V) Theo sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha: KU ; KU – hệ số điện áp của sơ đồ cầu 3 pha. V 4.Dòng điện hiệu dụng sơ cấp máy biến áp (I1) Ta có VA Trong đó: U1, I1: Điện áp và dòng điện hiệu dụng của cuộn dây sơ cấp (V), (A); A 5.Dòng điện hiệu dụng thứ cấp máy biến áp (I2) A Kba - hệ số biến áp; kba = Tính sơ bộ mạch từ ( Xác định kích thước cơ bản mạch từ ) 6.Tiết diện sơ bộ trụ Trong đó: Sba - công suất biến áp tính bằng [W] : hệ số phụ thuộc vào phương thức làm mát; = 4 5 nếu là máy biến áp dầu = 4 5 nếu là máy biến áp khô Ta chọn = 6 ( máy biến áp khô làm mát bằng quạt ) m : số trụ của máy biến áp, với máy biến áp 3 pha, ta có m = 3 f : tần số nguồn điện xoay chiều; f = 50 Hz Thay số : = 65,73 cm2 7.Đường kính trụ d = = = 9,15 cm Chuẩn hoá đường kính trụ theo tiêu chuẩn d = 9,5 cm Xem đường kính trụ tiêu chuẩn ở phụ lục bảng 7 ( [2] ) 8.Chọn loại thép 3405 , các lá thép có độ dày 0,35 mm Chọn sơ bộ mật độ từ cảm trong trụ = 1,6 T 9.Chọn tỷ số m = = 2,3 h = 2,3.d = 2,3.9,5 = 21,85 cm Chọn chiều cao trụ h = 22 cm ( thông thường m = 22,5 ) Tính toán dây quấn 10.Số vòng dây mỗi pha sơ cấp máy biến áp = 94,2 vòng Chọn vòng Trong đó: W1 - số vòng dây của cuộn dây sơ cấp (vòng); U1 - điện áp của cuộn dây sơ cấp [V]; BT - từ cảm BT = 1,6 (T); QFe - tiết diện lõi thép [cm2] 11.Số vòng dây mỗi pha thứ cấp máy biến áp vòng Chọn vòng 12.Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong máy biến áp Với dây dẫn bằng đồng, máy biến áp khô, chọn = = 2,75 A/mm2 13.Tiết diện dây dẫn sơ cấp máy biến áp mm2 Chọn tiết diện theo tiêu chuẩn S1 = 17,6 (cm2) Chọn dây dẫn tiết diện chữ nhật, cấp cách điện B. Chọn tiết diện dây dẫn theo tiêu chuẩn [2] (kể cả cách điện) = = 14.Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn sơ cấp A/mm2 15.Tiết diện dây dẫn thứ cấp máy biến áp: mm2 Nừu chập 5 sợi lại với nhau S’2 = 176/5 = 35,35 mm2 Chọn tiết diện dây theo tiêu chuẩn : S2 = 35,84 mm2 Chọn dây dẫn chữ nhật, cấp cách điện B Chọn dây dẫn theo tiêu chuẩn [2] (kể cả cách điện) có kích thước = = tiết diện của dây quấn sơ cấp S2 = 35,84.5 = 179,2 m2 16.Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn thứ cấp A/mm2 d, tính kết cấu dây quấn - Tính kết cấu dây quấn sơ cấp. Thực hiện dây quấn kiểu đồng tâm, bố trí theo chiều dọc trụ. 17.Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp: Trong đó: kc = 0,85 - hệ số kẹp chặt h – chiều cao trụ hg – khoảng cách từ gông đến cuộn sơ cấp Chọn sơ bộ khoảng cách cách điện gông, hg = 1,5 cm. b1 – chiều rộng dây quấn sơ cấp, b1 = 8,0 mm = 0,8 cm Thay số: vòng Chọn W11 = 21 vòng 18.Tính sơ bộ số lớp ở cuộn sơ cấp: lớp 19.Chọn số lớp n11 = 5 lớp Như vậy 95 vòng được chia làm 5 lớp, chọn 4 lớp đầu mỗi lớp có số vòng là 21, như vậy lớp thứ có 95 – 21.4 = 11 vòng. 20.Chiều cao thực tế của cuộn sơ cấp: = = 19,76 (cm) 21.Chọn dây dẫn bằng vật liệu cách điện có bề dày: S01 = 0,1 (cm). 22.Khoảng cách từ trục tới cuộn dây sơ cấp: a01 = 1,0 (cm). 23.Đường kính trong của ống cách điện: Dt = dFe + 2. a01 – 2.S01 = 9,5 + 2.1 – 2.0,1 = 11,3 (cm). 24.Đường kính trong của cuộn dây sơ cấp: Dt1 = Dt + 2. S01 = 11,3 + 2.0,1 = 11,5 (cm). 25.Chọn bề dày cách điện giữa các lớp dây quấn của cuộn dây sơ cấp: cd11 = 0,1 (cm). 26.Bề dày cuộn dây sơ cấp: Bd1 = (a1 + cd11).n11 = (2,24 + 0,1).5 = 11,7 (mm) = 1,17 (cm). 27.Đường kính ngoài của cuộn sơ cấp: Dn1 = Dt1 + 2. Bd1 = 11,5 + 2.1,17 = 13,85 (cm). 28.Đưòng kính trung bình của cuộn sơ cấp: (cm). 29.Chiều dài dây quấn sơ cấp: l1 = W1.. Dtb1 = 95. .12,68= 3784,3 (cm) = 37,84 (m). 30.Chọn bề dày cách điện giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp: cd01 = 1 (cm). Kết cấu dây quấn thứ cấp. 31.Chọn sơ bộ chiều cao cuộn thứ cấp: h2 = h1 = 17,76 (cm). 32.Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp của cuộn thứ cấp: = = 9,43 (vòng). Chọn W12 = 10 (vòng). 33.Tính sơ bộ số lớp ở cuộn thứ cấp: lớp 34.Chọn số lớp n2 = 1 lớp Như vậy một lớp dây quấn thứ cấp có 10 vòng. 35.Chiều cao thực tế của cuộn thứ cấp: = = 18,8 (cm) 36.Chọn bề dày cách điện giữa các lớp dây ở cuộn thứ cấp: cd22 = 0,1 (cm). 37.Đường kính trong của cuộn thứ cấp: Dt2 = dn1 + 2. a12 = 13,5 + 2.1 = 15,5 (cm). 38.Bề dày cuộn thứ cấp: Bd2 = (a2 + cd22).n12 = (0,224.5 + 0,.1).1 = 1,22 (cm). 39.Đường kính ngoài của cuộn thứ cấp: Dn2 = Dt2 + 2. Bd2 = 15,5 + 2.1,22 = 17,94 (cm). 40.Đưòng kính trung bình của cuộn thứ cấp: (cm). 41.Chiều dài dây quấn thứ cấp: l2 = W2.. Dtb2 = 10. .16,72 = 525,3 (cm) 5,25 (m). 42.Đường kính trung bình các cuộn dây: (cm). r12 = = 7,01 (cm). 43.Chọn khoảng cách giữa 2 cuộn thứ cấp: a22 = 2 (cm). Sơ đồ kết cấu máy biến áp: Hình 3.2. kết cấu biến áp Tính kích thước mạch từ. 45.Với đường kính trụ d = 9,5 cm, tiết diện sơ bộ trụ QFe = 65,73 Ta chọn trụ có tiết diện chữ nhật. Chọn chiều rộng trụ a = 7 cm Chiều đày trụ b = 10 cm 49.Số lá thép dùng trong chiều rộng mạch từ: Chiều rộng: = 200 (lá). Chiều dày mạch từ n2 = 100 /0,35 = 285 (lá) ta chọnn gông có tiết diện chữ nhật, có các kích thước sau: Chiều dày của gông bằng chiều dày trụ: b = dt = 10 (cm). Chiều cao của gông bằng chiều rộng tập lá thép thứ nhất của trụ: a = 7 (cm). Tiết diện gông: Qbg = ab = 710 = 70 (cm2). 50.Tiết diện hiệu quả của gông: Qg = khq .Qbg = 0,85.70 = 59,5 (cm2). 51.Số lá thép dùng trong một gông: hg = = = 285 (lá). 52.Tính chính xác mật độ từ cảm trong trụ: Bt = = = 1,49 (T). 53.Tính mật độ từ cảm trong gông: Bg = Bt. = 1,49. = 1,49 (T). 54.Chọn chiều rộng cửa sổ: c = 2.(a01 + Bd1 + a12 + Bd2 ) + a22 = 2.(1,17 + 1+ 1 + 1,22) + 2 = 10,78 (cm). 55.Tính khoảng cách giữa 2 tâm trục: c’ = c + d = 10,78 + 9,5 = 20,28 (cm). 56.Tính chiều rộng mạch từ: L = 2.c + 3.d = 2.10,78 + 3.9,5 = 50,06 (cm). 57.Tính chiều cao mạch từ: H = h + 2.a = 22 +2.7 = 36 (cm). Tính khối lượng sắt và đồng. 58.Thể tích của trụ: VT = 3. QT.h = 3.70.22 = 4620 (cm3) = 4,62 (dm3). 59. Thể tích của gông: Vg = 2. Qg.L = 2.70.50,06 = 7008,4 (cm3) = 7,01 (dm3). 60.Khối lượng của trụ: MT = VT.mFe = 4,62.7,85 = 36,27 (kg). 61.Khối lượng của gông: Mg = Vg.mFe = 7,01.7,85 = 55,03 (kg). 62.Khối lượng của sắt: MFe = MT + Mg = 36,27 + 55,03 = 91,3 (kg). 63.Thể tích của đồng: VCu = 3.( S1. l1 + S2. l2) = 3.(17,76..37,84.10 + 179,2. .5,25.10) = 4,84 (dm3). 64.Khối lượng đồng: MCu = VCu. mCu = 4,84.8,9 = 43,08 (kg). Tính các thông số của máy biến áp. 65.Điện trở trong của cuộn sơ cấp ở 750C R1 = = 0,02133. = 0,045 (). Trong đó: = 0,02133 (.mm2/m ). 66.Điện trở trong của cuộn thứ cấp: R2 = = 0,02133. = 0.0006 (). 67.Điện trở ngắn mạch máy biến áp quy đổi về sơ cấp: RBA = R1 + = 0,045 + = 0,099 (). 68.Điện kháng ngắn mạch máy biến áp quy đổi về sơ cấp : = 0,0015 (). 69.Điện cảm máy biến áp quy đổi về thứ cấp: = = 4,78.10-6 (H) = 4,78.10-3 (mH). 70.Tổng trở ngắn mạch quy đổi về sơ cấp: = = 0,099 () 71.Dòng điện ngắn mạch xác lập : Trong đó : U20 - điện áp không tải thứ cấp U20 = 50 V Uhq - điện áp hồ quang, khi ngắn mạch Uhq = 0 V A Vậy 1,4.I2max = 490 < I2nm < 2.I2max = 700 A 3.4 Tính chọn van động lực - Tính chọn van động lực dựa vào các yếu tố cơ bản: dòng tải, sơ đồ dã chọn, kiều kiện tản nhiệt, điện áp làm việc.Các thông số cơ bản được tính như sau: - Điện áp lớn nhất mà van phải chịu: Unmax = knv.U2 = knv . = .36 = 37,7 (V). Trong đó: Unmax – điện áp làm việc lớn nhất mà van phải chịu knv , ku – hệ số điện áp ngược và điện áp tải phụ thuộc vào sơ đồ chỉnh lưu knv = ; ku= (Chỉnh lưu cầu 3 pha ). Điện áp ngược của van cần chọn: Unv = kdtU.Unmax = 1,8.37,7 = 67,9 (V). Trong đó: kdtU – hệ số dự trữ điện áp; chọn kdtU = 1,8. Dòng điện làm việc của van, được tính theo dòng hiệu dụng. Ilv = Ihd = khd.Id = Id/= 202 (A). Trong đó: khd - hệ số dòng điện hiệu dụng, khd = 1/. Ilv , Ihd, Id – dòng điện làm việc, dòng hiệu dụng, và dòng điện tải. Id = 350 A (dòng điện tải cực đại) Chọn hệ số làm việc của van là có cánh tản nhiệt, có đủ diện tích tản nhiệt, có quạt đối lưu, do đó ta chọn dòng điện định mức cần chọn: Idm = ki. Ilv = 3,2.202 = 646,4 (A). Trong đó: ki = 3,2 – hệ số dự trữ dòng điện. Từ các thông số trên ( Um = 67,9 V; Idm = 646,4 A ) ta tra phụ lục 1 [1], ta chọn được: Diot NLA430A có các thông số sau: - Điện áp ngược cực đại của van: Unmax = 100 (V). - Dòng điện định mức của van: Iđm = 1000 (A). - Đỉnh xung dòng điện: Ipikmax = 10000 (A). - Tụt áp hao điện ở trạng thái mở của Điôt: U = 1,42 (V). - Dòng điện thử cực đại: Ith = 3100 (A). - Dòng điện rò : Ir = 50 mA - Nhiệt độ cho phép: Tmax = 200 (A). Tra phụ lục bảng 2 [1], ta được thông số Tiristo NLF 395A như sau: - Điện áp ngược cực đại của van: Unmax = 100 (V). - Dòng điện làm việc cực đại của van: Iđm = 700 (A). - Dòng điện xung điều khiển : Ig = 200 (mA) - Điện áp xung điều khiển: Ug = 2,5 (V) - Dòng điện rò: Ir = 20 (mA) - Đỉnh xung dòng điện: Ipikmax = 8000 (A). - Tụt hao điện áp ở trạng thái mở của Tiristo: U = 2,5 (V). - Thời gian chuyển mạch: tcm = 15 () - Nhiệt độ cho phép: Tmax = 125 (0C). Tính điện trở R làm tải giả - Điện trở R mắc song song với tải được gọi là tải giả có chức năng sau : + Tạo và duy trì dòng điện chạy trong mạch và dòng điện chạy qua các van lúc que hàn chưa chạm vào vật hàn. + Tạo điện áp không tải U0 (Điện áp mồi) ban đầu chính là điện áp rơi trên điện trở R để gây hồ quang. - Giá trị điện trở R được tính sao cho khi điện áp chỉnh lưu không tải nhỏ nhất U0min = 45 V thì dòng điện hiệu dụng của điôt phải lớn hơn dòng điện rò (Ir) của điôt. Theo thông số của điôt đã chọn Ir = 50 mA. - Dòng điện hiệu dụng qua tải giả : Id = Ir = .0,05 = 0,087 A - Điện trở R của tải giả được tính : A - Chọn điện trở R = 520 (W). - Vậy dòng điện nhỏ nhất qua van là : Ih = A = 51 mA vậy điôt thoả mãn điều kiện mở thông. - Tổn hao công suất cực đại trên điện trở của tải giả : DP = = 4,8 (W). Tổn hao này là nhỏ nên có thể chấp nhận được tính chọn thiết bị bảo vệ cho van bán dẫn - Khi làm việc có dòng điện chạy qua van bán dẫn có sụt áp, do đó có tổn hao công suất DP = DU.Ilv. Tổn hao này sinh ra nhiệt đốt nóng van bán dẫn, mặt khác van chỉ được làm việc tới tối đa nhiệt độ cho phép Tcp = 125 0C. Nếu nhiệt độ làm việc của van bán dẫn lớn hơn nhiệt độ cho phép Tcp , van bán dẫn sẽ bị phá huỷ. Để đảm bảo van bán dẫn làm việc được an toàn, không bị chọc thủng về nhiệt, ta phải thiết kế hệ thống toả nhiệt hợp lý. Tính toán cánh tản nhiệt Tổn thất công suất trên một diod : DPD = DUD.Ilv Trong đó DUD : Sụt áp trên van khi mở = 1,42 V Ilv : Dòng điện làm việc hiệu dụng của van = 202 A DPD = 1,42.202 = 286,84 W + Diện tích bề mặt toả nhiệt cần thiết trên diod : = 0,80 m2 Trong đó : T : Độ chênh nhiệt của van so với nhiệt độ của môi trường, chọn nhiệt độ của môi trường Tmt = 40 0C. Vì nhiệt độ làm việc cực đại của van cho phép = 125 0C nên chọn nhiệt độ trên cánh tản nhiệt Tlv = 800C. T = Tlv - Tmt = 80 - 40 = 40 0C Km : Hệ số toả nhiệt bằng đối lưu và bức xạ chọn Km = 8 W/m20C - Chọn 16 cánh toả nhiệt có kích thước 15.15 cm - Tổng diện tích toả nhiệt của các cánh : S = 2.16.15.15 = 7200 cm2 = 0,72 m2 - Chọn bề dày mỗi cánh tản nhiệt = 2 mm, khoảng cách giữa hai cánh kề nhau là 4,5 mm. Hình 3.3 Bản vẽ cánh tản nhiệt. Chọn thiết bị bảo vệ quá dòng điện cho van Chọn cầu dao - Dùng cầu dao xoay chiều ba pha mắc ở phía sơ cấp của máy biến áp ngay sau nguồn lưới điện ba pha để đóng cắt khi không tải, tạo khe hở an toàn khi cần sửa chữa mạch lực. - Dòng điện định mức của cầu dao được chọn : Iđm = 1,15 I1đm = 1,15 ..47,24 = 94,1 (A). - Chọn cầu dao do hãng SIEMENS chế tạo có Iđm = 100 A, Uđm = 400 V, 3 cực có thể đóng cắt tự động hoặc bằng tay. b . Chọn Aptomát - Dùng Aptomat để đóng cắt mạch động lực khi có tải, tự động bảo vệ quá tải và ngắn mạch ở chế độ sự cố. - Dòng điện định mức của Aptomat được chọn : Iđm = 1,15 I1đm = 1,15 ..47,24 = 94,1 (A). - Chọn Aptomát có I1đm = 100 A, Uđm = 400 V, 3 cực do SIEMENS chế tạo. Bảo vệ quá điện áp cho van bán dẫn -Linh kiện bán dẫn nói chung và van bán dẫn công suất nói riêng rất nhạy cảm với sự thay đổi của điện áp. Những yếu tố ảnh hưởng lớn nhất tới van bán dẫn mà chúng ta cần có phương thức bảo vệ là : + Điện áp đặt vào van lớn quá thông số của van. + Xung điện áp do chuyển mạch van. + Xung điện áp từ lưới phía xoay chiều, nguyên nhân thường gặp là do các tải điện cảm lớn trên đường dây. + Xung điện áp do cắt đột ngột biến áp non tải. R2 R2 -Để bảo vệ xung điện áp do quá trình đóng cắt thường được dùng bằng các mạch R- C mắc song song với các van bán dẫn. Sơ đồ đơn giản của loại mạch này mô tả trên hình dưới. Khi có sự cố chuyển mạch, do phóng điện từ van ra ngoài tạo nên xung điện áp trên bề mặt tiếp giáp của van. Mạch R2- C2 mắc song song với van bán dẫn tạo mạch vòng phóng điện tích quá độ trong quá trình chuyển mạch van có thể tính được các thông số của R2 và C2, hoặc có thể chọn gần đúng R2 = (5 ¸ 30) W , C2 = (0,5 ¸ 4) mF. Chọn R2 = 10 W , C2 = 0,5 mF. - Để bảo vệ xung điện áp từ lưới điện chúng ta mắc song song với tải ở đầu vào một mạch R – C nhằm lọc xung. Khi xuất hiện xung điện áp trên đường dây, nhờ có mạch lọc này mà đỉnh xung gần như nằm lại hoàn toàn trên điện trở của đường dây. Trị số R1 ,C1 phụ thuộc nhiều vào tải, thường chọn R1 = (5 ¸ 20) W, C1 = 4 mF. Chọn R1 = 10 W, C1 = 4 mF. Hình 3.4. Sơ đồ bảo vệ van do xung điện áp từ lưới điện - Để bảo vệ van do cắt đột ngột biến áp non tải, trong đa số các bộ biến đổi người ta thường mắc một mạch R – C ở đầu ra một bộ chỉnh lưu cầu ba pha phụ bằng các diod công suất nhỏ. Trị số tụ điện được chọn C3 = 10 mF, R3 = 470 W, R4 = 1,4 KW Hình 3.5. Mạch cầu ba pha bảo vệ do cắt biến áp non tải Với việc chọn các thiết bị bảo vệ như trên, ta có sơ đồ mạch động lực có các thiết bị bảo vệ: Hình 3.6. Sơ đồ mạch động lực có các thiết bị bảo vệ THIẾT KẾ CUỘN KHÁNG LỌC Sự đập mạch của điện áp chỉnh lưu làm cho dòng tải cũng đập mạch theo, làm xấu đi chất lượng dòng điện một chiều. Do đó, sau bộ chỉnh lưu, người ta mắc thêm cuộn kháng để lọc dòng điện chập mạch, ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn. Trị số điện cảm của cuộn kháng lọc thành phần dòng điện đập mạch được tính theo biểu thức: Trong đó: LL - trị số điện cảm lọc đập mạch cần thiết [Henry]; Id.đm - dòng điện định mức của bộ chỉnh lưu [A]; Id.đm = 350 (A) w = 314 - tần số góc [1/s]; K = 1,2,3... - bội số sóng hài;với cầu 3 pha lấy giá trị K =1. m - số lần đập mạch trong một chu kỳ;với cầu 3 pha: m=6 Ud.max - biên độ thành phần sóng hài của điện áp chỉnh lưu [V]; I1*% - trị hiệu dụng của dòng điện sóng hài cơ bản lấy tỷ số theo dòng điện định mức của chỉnh lưu. Trị số này cho phép I1*% < 10%. I.đm=0,1.350 = 35 (A) chọn I1*% = 30 (A). Biên độ thanh phần sóng hài của điện áp chỉnh lưu Udn.max có thể được xác định theo công thức . Trong đó: Ud0 - điện áp chỉnh lưu cực đại [V]; Ud0 = 36 V() amax - góc điều khiển van bán dẫn lớn nhất [rad./s]. amax = arcos(Udmin/U0) = arcos(16/50) = 710 = 11,7 (V) (H) = 4,18 (mH) Điện cảm cần thiết của cuộn kháng lọc L = LL – LBA = 4,18 – 4,78.10-3 = 4,18 (mH). * Thiết kế kết cấu cuộn kháng lọc Các thông số ban đầu: Điện cảm yêu cầu của cuộn kháng lọc Lk= 4,18 (mH) Dòng điện định mức chạy qua cuộn kháng Im = 350 (A) Biên độ dòng điện xoay chiều bậc 1 I1m < 10% Iđm= 30 (A) Các bước tính toán: Do dòng điện cuộn kháng lớn và điện trở bé do đó ta có thể coi tổng trở của cuộn kháng xấp xỉ bằng điện kháng của cuộn kháng . Zk = Xk = 2.p.f.m.Lk = 2.p.6.50.4,18.10-3 = 7,88 (W) Trong đó: f – tần số dòng điện; f = 50 Hz m – số lần đập mạch của sơ đồ chỉnh lưu; m = 6. Lk – điện cảm cuộn kháng lọc; Lk = 4,18 mH Điện áp xoay chiều rơi trên cuộn kháng lọc . DU = Z . = 7,88. = 167 (V) Công suất của cuộn kháng lọc . S = DU. = 167 . = 3543 (VA) Tiết diện cực từ chính của cuộn kháng lọc . Q = kQ . = 17,18 (cm2) KQ là hệ số phụ thuộc phương thức là mát, khi làm mát bằng không khí tự nhiên kQ = 5 . Chuẩn hoá tiết diện trụ theo kích thước có sẵn: Chọn Q = 20,25 (cm2) 5. Với tiết diện trụ Q =20,25 (cm2) Chọn loại thép 3405, tấm thép dày 0,35 mm a= 45 (mm); b= 45 (mm) 6. Chọn mật độ từ cảm trong trụ: BT = 1,6 T 7. Khi có thành phần dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn cảm thì  trong cuộn cảm sẽ xuất hiện một sức điện động Fk Fk= 4,44 . w . f.m. BT . Q Gần đúng ta có thể viết: Ek = DU = 167 (V) W= = 38,9 (vòng) Lấy w = 40 vòng 8. Dòng điện hiệu dụng chạy qua cuộn kháng Ik= =486,5 (A) 9. Tiết diện dây dẫn cuộn kháng: S1= = 149,7 (mm2) Với J – mật độ dòng điện; chọn j = 3,25 A/mm2 Chọn S1 theo tiêu chuẩn: 2S1 = 2.75,1= 150,2 (mm2) Chọn dây dẫn tiết diện hình chữ nhật, cách điện cấp B, kích thước dây: a1 x b1 = 4,75 x 16,0 (mm x mm) chọn dây 2 lớp kích thước 9,5 x 16 (mm x mm) Tính lại mật độ dòng: j = (A/mm2) 10. Chọn tỷ số lấp đầy: Klđ = 0,7 11. Tính kích thước mạch từ: Hình 3.7. Kết cấu mạch từ 12. Chia đều số vòng dây trên 3 đoạn mạch từ B, A, B: số vòng dây trên đoạn A là 12 vòng; đoạn B là 14 vòng 13. Chiều dài của đoạn mạch từ A là c = 12 x 9,5 + 2.45 + 20 = 224 mm Trong đó: 20 – chiều dày cách điện 45 – chiều rộng mạch từ 9,5 - chiều dài của một vòng dây 12 – số vòng dây Chiều cao của đoạn mạch từ B là h = 14 x 9,5 + 2.45 + 20 = 243 mm Trong đó: 20 – chiều dày cách điện 45 – chiều rộng mạch từ 9,5 - chiều dài của một vòng dây 14 – số vòng dây trên đoạn mạch B 14. Dây quấn trên đoạn A và B đều là một lớp dây. Chiều dài trung bình của một vòng dây là: 2 x (45 + 2.16) = 154 mm Trong đó: 16 – chiều cao của một lớp dây mà dây quấn được quấn quanh trụ 45 x 45 mm Chiều dài của cả cuộn dây: l = 154 x 40 = 6160 mm = 6,16 m 15. Thể tích sắt Ve = 2.(224 + 243 – 90) x 45.45 = 1526850 mm3 = 1,53 dm3 16. Khối lượng sắt Mfe = Vfe . mfe = 1,53.7,85 = 12,01 (kg) Trong đó mfe là khối lượng riêng của sắt mfe =7,85 (kg/dm3 ) 27. Thể tích của đồng VCu = S x l = 16.9,5.6160 = 936320 mm3 = 0,936 (dm3) 27. Khối lượng đồng: M cu = V cu . m cu = 0,936.8,9 = 8,33 (kg). Trong đó: mcu = 8,9 ( kg/dm3 ) CHƯƠNG 4: BỘ CHỈNH LƯU TRONG MÁY HÀN Như đã phân tích ở phần nguồn điện hàn trong chương 1, đối với hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ CO2 để cho hồ quang ổn định thì nguồn hàn phải là nguồn một chiều.. Muốn có điện một chiều thì có hai phương pháp, thứ nhất là dùng một hệ thống động cơ, máy phát một chiều. Hệ thống này thường có nhược điểm, cồng kềnh, tổn hao nhiều năng lượng, khi làm việc gây tiếng ồn lớn. Mặt khác, trong máy phát một chiều thường có hệ thống chổi than, cổ góp mau hỏng và đặc biệt sự đánh lửa ở cổ góp và chổi than làm cho hệ thống này không thể làm việc được ở những môi trường dễ gây cháy nổ. Vì thế mà hiện nay, hệ thống này hầu như không dùng trong thực tế sản xuất, thay thế vào đó người ta sử dụng một bộ chỉnh lưu sử dụng van bán dẫn có nhiều tính năng ưu việt hơn như là : thiết bị gọn nhẹ, dễ tự động hoá và điều khiển, tổn hao nhỏ trong khi vận hành, tác động nhanh, ổn định dòng và áp được. Các bộ chỉnh lưu thực chất là các bộ dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều. Các bộ chỉnh lưu thường có ký hiệu khối như hình vẽ dưới: Hình 4.1. Ký hiệu của bộ chỉnh lưu Các bộ chỉnh lưu thực chất là hệ thống van bán dẫn có cấu tạo đặc biệt được ghép với nhau theo một sơ đồ nhất định. Các van bán dẫn này này càng được ứng dụng rộng rãi. Sau đây tác giả đi vào hai van bán dẫn thông dụng và được ứng dụng rộng rãi nhất, đó là Điot và Tiristo. 4.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Điot Điot là dụng cụ bán dẫn gồm 2 miếng bán dẫn P và N ghép lại với nhau. Đầu nối với bán dẫn P gọi là Anot(A), đầu nối với bán dẫn N gọi là Catot (C)[5]. Hình 4.2. Kí hiệu Điot trên sơ đồ điện Đặc tính Von - Ampe của điot biểu thị quan hệ I(U) giữa dòng điện qua điot và điện áp đặt vào 2 cực của điot như hình 4.3 dưới đây [5]: Hình 4.3. Đặc tính Von - Ampe của Điot Đặc tính Von - Ampe tĩnh của điot có 2 nhánh. Nhánh thuận: ứng với phân áp thuận ( sơ đồ nối mạch ở góc I) thì dòng điện đi qua điot tăng theo điện áp. Khi có điện áp đặt vào điot một ngưỡng Un cỡ 0,1 0,5 V và chưa lớn lắm thì đường đặc tính có dạng parabol (đoạn 1). Khi điện áp lớn hơn thì đặc tính gần như đường thẳng (đoạn 2). Điện trở thuận của điot ở một thời điểm nào đó trên đặc tính thường nhỏ và có thể tính theo: Đó chính là nghịch đảo giá trị đạo hàm của đặc tính tại điểm tính điện trở. Nhánh ngược ứng với phân áp ngược (sơ đồ nối mạch ở góc III). Lúc đầu, điện áp ngược tăng thì dòng điện ngược tăng(dòng điện rò) rất nhỏ cũng tăng nhưng rất chem. (đoạn 3). Tới điện áp ngược V thì dòng điện ngược có giá trị nhỏ vài mA và gần như giữ nguyên. Sau đó, khi điện áp ngược đủ lớn thì dòng điện tăng nhanh (đoạn khuỷu 4) và cuối cùng (đoạn 5) thì điot bị dánh thủng. Lúc này, dòng điện ngược tăng vọt dù có giảm điện áp. Điện áp này gọi là điện áp chọc thủng. Điot bị phá hỏng. Để đảm bảo an toàn cho điot, ta nên cho điot làm việc với điện áp ngược 0,8 Ung.max. Với Ung < 0,8Ung.max thì dòng điện rò qua điot nhỏ, không đáng kể và điot coi như ở trạng thái khoá. Vùng khuỷu là vùng điện trở ngược của điot đang từ trị số rất lớn chuyển sang trị số rất nhỏ dẫn đến dòng điện ngược từ trị số rất nhỏ trở thành rất lớn. Từ đặc tính V.A của điot, có thể thấy điot (do tính chất đặc biệt của lớp tiếp xúc P-N ) chỉ cho dòng điện chạy qua từ Anot(A) sang Catot(C) khi phân áp thuận và không cho dòng điện từ Catot sang Anot khi phân áp ngược. Đặc tính của điot thực là một đường phi tuyến (không thẳng) (đường a hình bên). Đặc tính V.A của một điot lý tưởng là những đường thẳng (đường b hình 4.4) vì khi phân áp thuận, điện trở RAC là bằng 0, còn khi phân áp ngược RAC là vô cùng, không có dòng điện ngược (hình 4.4). Đặc tính V.A của điot còn thay đổi theo nhiệt độ (hình 4.5). Qua đặc tính V.A cho thấy tuỳ theo điều kiện phân áp mà điốt có thể dẫn dòng hay không dẫn dòng. Điot là một van bán dẫn. Tính chất này được sử dụng để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều thành một chiều. Hình 4.4. Đặc tính V-A của Điot thực và Điot lý tưởng Hình 4.5. Đặc tính V-A của Điot phụ thuộc nhiệt độ Khi nối một điot vào giữa một nguồn điện áp xoay chiều và phụ tải, điot sẽ dẫn dòng ở nửa chu kỳ mà nguồn phân áp thuận, còn không dẫn dòng ở nửa chu kỳ còn lại vì phân áp ngược [5]. Sự chuyển đổi thông khoá của điot là không tức thời mà cần có một thời gian nhất định. toff - thời gian cần để cho điot chuyển từ trạng thái thông sang trạng thái khoá. ton - thời gian cần để điot chuyển từ trạng thái khoá sang trạng thái thông. Chính vì vậy, nếu tần số điện áp xoay chiều quá lớn thì điot bình thường có thể không tạo được chế độ khoá. Các thông số định mức của Điot: Dòng điện trung bình Dòng điện hi._.