May Han Tig Su Dung Cong Nghe Bien Tan

Đồ án tốt nghiệp Máy hàn TIG sử dụng công nghệ biến tần

PHẦN ICÔNG NGHỆ HÀN ĐIỆN.

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC

CHƯƠNG IGIỚI THIỆU VỀ HÀN ĐIỆN

I. Khái quát về hàn điện.1. Bản chất và đặc điểm hàn:

Về thực chất hàn là phương pháp công nghệ nối hai hay nhiều phần tử thành một liên kết vững không tháo rời. Việc nối này được thực hiện bằng nguồn nhiệt( hoặc áp lực ) để nung chỗ nối đến trạng thái hàn( trạng thái lỏng hoặc dẻo). Sau đó kim loại kết tinh( úng với trạng thái lỏng) hoặc dùng áp lực ép( ứng với trạng thái dẻo) để cacá phần tử liên kết nhau cho ta mối hàn.2. Đặc điểm

Tiết kiệm kim loại. Với cùng loại kết cấu kim loại, nếu so sánh với các phương pháp ghép nối khác nhau, hàn tiết kiệm được 10-20% khối lượng kim loại.Có thể hàn các kim lọai khác nhau để tiết kiệm các kim lọai quí hoặc tạo ra các kết cấu đặc biệt.

Mối hàn có độ bền cao và đảm bảo độ kín khít. Thông thường mối hàn kim loại được hợp kim hóa tốt hơn vật liệu hàn.

Hàn cho năng suất cao vì có thể giới hạn được số lượng nguyên công, giảm cường độ lao động, ngoài ra công nghệ hàn dễ dàng tự động hóa, cơ khí hóa.

Nhược điểm của phương pháp hàn là do nguồn nhiệt nung nóng cục bộ nên dễ tạo ra ứng suất dư lớn. Tổ chức kim loại vùng gần mối hàn bị thay đổi theo chiều hướng xấu đilàm giảm khả năng chịu tải trọng động của mối hàn, dễ gây biến dạng các kết cấu hàn. Người ta phân loại ra hàn nóng chảy và hàn áp lực, dưới đây chúng ta chủ yếu xem xét đến công nghệ hàn điện trong hàn nóng chảy, đây là công nghệ hàn hồ quang đang được áp dụng rộng rãi nhất. Hàn điện dùng nhiệt do dòng hàn tạo ra nung nóng phần kim loại cơ bản ở chỗ cần nối cùng kim loại phụ ( que hàn, dây hàn. . . ) đến trạng thái nóng chảy cùng kim loại cơ bản để chúng hoà tan vào nhau trong vũng hàn. Mối hàn sẽ hình thành khi kim loại vũng hàn kết tinh. 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, giao thông, hoá chất. . . II. Phân loại các quá trình hàn điện nóng chảy. Có 6 cách phân loại sau : 1. Phân loại theo đặc trưng nguồn nhiệt hàn

HD: TS.Trần Văn Thịnh Sv: Nguyễn Viết Tường

1


Theo đặc trưng ngồn nhiệt hàn, có thể chia hàn điện nóng chảy thành : hàn hồ quang, hàn điện xỉ, hàn tia điện tử và hàn tia laser.

Hình 1.1: Phân loại hàn điện nóng chảy theo nguồn nhiệt hàn.

2. Phân loại theo mức độ điều khiển quá trình hàn. Tuỳ theo cách thức điều khiển quá trình hàn (gây hồ quang, thao tác điện cực, chuyển dịch điện cực theo đường hàn, và cách kết thúc quá trình hàn, v. v. ), có thể chia hàn nóng chảy thành :

Hàn tay là phương pháp hàn mà trong suốt thời gian hàn người thợ hàn dùng tay để thao tác mỏ hàn hoặc kìm hàn.

Hàn bán tự động là phương pháp hàn mà trong suốt thời gian hàn người thợ hàn thao tác súng hàn bằng tay và thiết bị hàn tự động cấp dây hàn vào súng hàn.

Hàn cơ giới là phương pháp hàn chỉ đòi hỏi dùng tay tác động vào bộ phận điều khiển của thiết bị để điều chỉnh mỏ hàn hoặc kìm hàn nhằm đáp ứng các thay đổi nhận biết được qua quan sát hàn bằng mắt.

Hàn tự động là phương pháp hàn mà thiết bị hàn sử dụng không đòi hỏi hoặc chỉ đòi hỏi tối thiểu việc quan sát quá trình hàn và không phải dùng tay điều chỉnh bộ phận điều khiển của thiết bị.

Hàn bằng rôbốt là hàn và điều khiển trong khi hàn bằng thiết bị hàn rôbốt.

Hàn có điều khiển thích nghi là phương pháp hàn có sử dụng một hệ thống điều khiển cho phép xác định các thay đổi về điều kiện hàn một cách tự động và ra lệnh cho thiết bị tiến hành các hoạt động thích hợp.

3. Phân loại theo dòng điện hàn.


2


Các loại dòng điện hàn được sử dụng là dòng một chiều cực thuận điện cực nối với cực âm của nguồn điện hàn), dòng một chiều cực nghịch và dòng điện xoay chiều.

Tuỳ theo phương pháp hàn mà người ta sử dụng một trong các phương pháp đấu nối đó. Ví dụ, để hàn dưới lớp thuốc hoặc hàn trong môi trường khí bảo vệ, người ta dùng dòng điện hàn một chiều cực nghịch. 4. Phân loại theo loại hồ quang.

Có các loại hồ quang hàn sau : hồ quang trực tiếp (giữa điện cực và kim loại cơ bản) ; hồ quang gián tiếp (giữa hai điện cực, kim loại cơ bản không tạo thành một phần của mạch điện lực). Hồ quang trực tiếp được sử dụng phổ biến do hiệu suất cao hơn. 5. Phân loại theo tính chất điện cực.

Theo tính chất điện cực có hàn bằng điện cực nóng chảy và không nóng chảy (điện cực graphit, vônfram …). Với hàn bằng điện cực nóng chảy, hồ quang hình thành giữa kim loại cơ bản và điện cực nóng chảy (dây hàn hoặc lõi que hàn). Đây là dạng điện cực phổ biến nhất. 6. Phân loại theo môi trường bảo vệ vũng hàn.

Theo môi trường bảo vệ vũng hàn có : hàn không có bảo vệ (rất ít dùng), hàn trong môi trường bảo vệ của xỉ (hàn bằng que hàn vỏ bọc dây, hàn dưới lớp thuốc, hàn điện xỉ), hàn trong môi trường bảo vệ của khí và xỉ (hàn hồ quang tay), hàn trong môi trường của khí bảo vệ và hàn trong môi trường bảo vệ hỗn hợp (môi trường khí và xỉ hàn). IV. Thiết bị dùng trong hàn điện nóng chảy Các đặc điểm cơ bản của nguồn điện hàn nóng chảy

Nguồn hàn dùng trong hàn nóng chảy có 6 đặc điểm quan trọng sau : 1. Đặc tuyến nguồn hàn nóng chảy

Hình 1.2: Đặc tuyến của nguồn hàn nóng chảy 1 là đường đặc tuyến dốc. 2 là đường đặc tuyến thoải.


3


3 là đường đặc tuyến cứng. 4 là đường đặc tuyến tăng.

Đặc tuyến còn gọi là đường đặc tính ngoài hoặc đường đặc tính tĩnh cho biết mối quan hệ giữa điện áp hàn và cường độ dòng hàn (đường cong V-A) ở những chế độ chịu tải khác nhau.

Thiết bị hàn có đặc tuyến dốc được dùng cho hàn hồ quang tay và dùng cho hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ bằng điện cực không nóng chảy. Chúng cho phép giữ cường độ dòng điện hàn hầu như không đổi cho dù có thay đổi nhỏ về chiều dài hồ quang (tức là điện áp hàn), bảo đảm tính nhất quán cho chất lượng mối hàn. Một đặc điểm nữa là dòng ngắn mạch khi gây hồ quang không lớn hơn 200% giá trị dòng điện hàn, nhằm tránh ảnh hưởng nhiều đến chất lượng mối hàn.

Thiết bị hàn có đặc tuyến thoải hoặc cứng được dùng cho hàn bán tự động và tự động (trong môi trường khí bảo vệ, dưới lớp thuốc hoặc bằng điện cực lõi thuốc) có tốc độ cấp dây hàn cố định. Khi hàn cường độ dòng điện hàn tự điều chỉnh theo chiều dài hồ quang. 2. Điện áp không tải.

Điện áp không tải là điện áp giữa các cực thứ cấp của nguồn điện hàn khi nó ở chế độ không tải (không có nguồn điện hàn).

Với nguồn điện hàn có đặc tuyến thoải điện áp không tải không quan trọng nhưng trong trường hợp nguồn điện hàn có đặc tuyến dốc (cả dòng một chiều lẫn xoay chiều), điện áp không tải có vai trò dễ gây hồ quang và ổn định cho hồ quang. Điện áp không tải càng cao thì độ ổn định hồ quang càng cao. Tuy nhiên vì lý do an toàn lao động nó không được vượt quá 80V.3. Đặc tính động của nguồn hàn. Đặc tính động của nguồn điện hàn là khoảng thời gian cần thiết để nguồn điện hàn lặp lại điện áp từ giá trị bằng không khi ngắn mạc đến giá trị điện áp khi làm việc. Thời gian này không được vượt quá 0,05 giây

Đặc tính động cũng quan trọng như đặc tính tĩnh của nguồn hàn. Các đặc tuyến động cho biết mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện hàn trong điều kiện chịu tải thay đổi, tức là khi có các biến đổi tức thời về điện áp hồ quang cùng dòng điện hàn trong khoảng thời gian rất ngắn (cỡ phần nghìn giây).

Có thể đánh giá đặc tuyến động của nguồn hàn thông qua hệ số động k= Imax/I0, trong đó Imax là cường độ cao nhất của dòng ngắn mạch, I0 là cường độ ổn định của dòng ngắn mạch. Với nguồn điện hàn hồ quang, 1 < k < 2, 5. Ngoài ra, thời gian phục hồi điện áp hồ quang không được vượt quá 0, 05 giây, đồng thời tốc độ tăng của dòng điện hàn thường nằm trong khoảng 15 ÷ 20 kA/s.


4


Nguồn điện hàn có đặc tuyến động tốt sẽ cho hồ quang rất ổn định, giảm hiện tượng bắn tóe, tăng chất lượng mối hàn cho dù các hiện tượng chuyển tiếp như thay đổi tức thời của chều dài hồ quang, ngắn mạch. gây và tắt hồ quang (hàn trong dòng xoay chiều) liên tục sau mỗi nửa chu kỳ. 4. Cường độ dòng hàn danh định và chu kì tải.

Nguồn điện hàn được các nhà chế tạo quy định làm việc ở các cường độ dòng hàn danh định và chu kỳ tải (còn gọi là hệ số làm việc liên tục) khác nhau. Chu kỳ tải là là tỷ lệ phần trăm của một khoảng thời gian mà nguồn điện hàn chịu tải tại một cường độ hàn nhất định trong vòng 10 phút (một số nước quy định 5 phút) vận hành liên tục. Ví dụ chu kỳ tải 60% có nghĩa là cứ trong 10 phút máy làm việc thì hồ quang thực sự làm việc trong 6 phút (4 phút còn lại máy ở trong chế độ không tải).

Trong ngành cơ khí chế tạo, chu kỳ tải 60 % được coi là tiêu chuẩn cho hàn hồ quang tay. Ví dụ, nếu máy hàn được đăt chế độ làm việc danh định là 300A với chu kỳ tải là 60%, có nghĩa là có thể vận hành máy đó liền 6 phút trong thời gian 10 phút mà không sợ làm máy nóng quá mức. Đôi khi ta có thể cho máy chạy ở các dòng hàn khác dòng danh định. Khiđó, cần tính chu kỳ tải cần thiết tương ứng theo công thức sau :

DDC = RDCx(Id2/Ic

2)Trong công thức trên DDC là chu kỳ tải cần thiết (%), RDC là chu kỳ

tải (%) tại cường độ danh định, Id là cường độ hàn danh định (A), Ic là cường độ hàn cần thiết (A). Theo công thức này, một máy hàn có chu kỳ tải 60% ở cường độ danh định 400A có thể dược sử dụng để hàn liên tục (chu kỳ tải 100%) ở 310A. Tương tự như vậy, máy hàn có chu kù tải 60% ở cường độ danh định 300A có thể làm việc được ở 373 A với chu kỳ tải 35% mà không sợ làm hỏng cách điện trong máy hàn. 5. Cấp cách điện.

Việc đạt chu kỳ tải của nguồn điện hàn chủ yếu dựa vào nhiệt độ tối đa cho phép của các bộ phận của nó như cuộn dây sơ cấp và thứ cấp, cuộn cản …. Các giá trị này phụ thuộc vào loại vật liệu cách điện để sử dụng làm ra chúng. Quy định đối với nhiệt độ cho từng cấp cách điện thường theo tiêu chuẩn quốc gia. 6. Hệ số công suất.

Hệ số công suất là tỷ số giữa công suất thực sự dùng để tạo ra tải danh định tính bằng kW (ví dụ : do đo được) và giá trị công suất nhận được từ lưới điện của nguồn điện hàn tính bằng kVA. Hệ số công suất thấp đồng nghĩa với lãng phí và sử dụng công suất kém hiệu quả. Thông thường máy phát hàn có hệ số công suất 0, 80÷0, 90, trong khi đó biến áp hàn và máy chỉnh lưu hàn có thể có hệ số công suất nhỏ hơn nhiều (tới 0, 45 với biếp áp hàn). Để tăng hệ số công suất cho biến áp hàn hoặc chỉnh lưu hàn, người


5


ta có thể sử dụng các tụ bù hoặc nối tụ điện có điện dung cao vào mạch sơ cấp. VI. Các phương pháp hàn điện và đặc điểm của chúng.1. Hàn hồ quang tay. a. Nguyên lý.

Hàn hồ quang tay là quá trình hàn điện nóng chảy sử dụng điện cực dưới dạng que hàn (thường có vỏ bọc) và không sử dụng khí bảo vệ trong đó tất cả các thao tác (gây hồ quang, dịch chuyển que hàn, thay que hàn …) đều do người thợ hàn thực hiện bằng tay.

EMBED Visio.Drawing.11

Nguồn điện hàn

Tay cầm

Súng hàn

Vật hàn

Âm nguồn ( -)

Dương nguồn (+)

Hình 1. 3 Sơ đồ nguyên lý hàn hồ quang tay.b. Đặc điểm.

Hàn được ở mọi tư thế không gian khác nhau. Năng suất thấp do cường độ dòng điện hàn bị hạn chế. Hình dạng kích thước và thành phần hoá học của mối hàn

không đồng đều do tốc độ hàn bị dao động làm cho phần kim loại cơ bản tham gia vào mối hàn thay đổi.

Chiều rộng vùng ảnh hưởng nhiệt tương đối lớn do tốc độ hàn nhỏ.

Điều kiện làm việc của thợ hàn mang tính độc hại (bức xạ, hơi, khí độc).

Tuy nhiên với các liên kết có chiều dày nhỏ và trung bình đây vẫn là quá trình hàn phổ biến nhất. Nó cũng là phương pháp chủ yếu để hàn ở các tư thế không gian khác nhau.

c. Ảnh hưởng của mối tương quan giữa dòng điện hàn và điện áp hàn.


6


Để quá trình hàn diễn ra bình thường dòng điện và điện áp hàn phải có một mối quan hệ nhất định. Mối quan hệ này khi chiều dài hồ quang không đổi được gọi là đặc tính tĩnh của hồ quang.

Đường đặc tính tĩnh có thể phân thành ba vùng I, II, III. Vùng I cường độ dòng hàn <100 A, điện áp hàn giảm khi cường độ

dòng hàn tăng. Vùng II Điện áp hàn hầu như không phụ thuộc vào dòng hàn mà

chỉ thay đổi theo chiều dài hồ quang. Vùng III có thể coi điện trở hồ quang không đổi R = const chỉ phụ

thuộc vào chiều dài hồ quang.

Hình 1.4: Đường đặc tính tĩnh của hồ quang (l1 > l2 : chiều dài hồ quang)d. Ảnh hưởng của dòng hàn.

Trường hợp vừa xét liên quan đến dòng một chiều trong thực tế người ta còn sử dụng dòng xoay chiều để hàn. Lúc này các quá trình nhiệt diễn ra trong quá trình hàn sẽ khác dòng xoay chiều tần số 50 Hz làm cho dòng hàn đổi cực tương ứng với tần số đó. Do đó dòng điện cũng được kích thích và tắt 100 lần trong 1 giây. Trong mỗi nửa chu kỳ sự giảm dòng hàn đi kèm với sự giảm nhiệt độ cột hồ quang tức là mức độ ion hoá trong vùng hồ quang cũng giảm. Lúc này hồ quang chỉ được kích thích khi tăng điện áp đường cong điện áp theo thời gian U = f(t) phải có đinh gọi là điện áp mồi.


7


Hình 1. 5: Đường cong điện áp và dòng điện theo thời gian.

e. Các đặc trưng nhiệt của hồ quang. Hồ quang là một nguồn nhiệt có mức độ tập trung cao. Phần lớn

năng lượng đi qua hồ quang được biến thành nhiệt năng. Theo hướng dọc trục nhiệt được phân bố tương ứng theo mức giảm điện áp trên các vùng hồ quang. Nhiệt sinh ra ở vùng catốt, anốt chủ yếu dùng để nung chảy kim loại một phần để bay hơi kim loại. Nhiệt sinh ra ở vùng cột hồ quang chủ yếu làm nóng chảy kim loại còn lại bức xạ ra xung quanh.

Công suất điện của hồ quang P = U. I [W]Công suất nhiệt của hồ quang q0 = P nếu bỏ qua sự tổn thất nhiệt và

hiệu ứng hoá học. Công suất nhiệt hiệu dụng của hồ quang là lượng nhiệt của hồ quang

truyền vào kim loại phụ thuộc vào quá trình hàn, thuốc hàn, điện cực kim loại và mối hàn q = q0. η với η = 0, 5 ÷ 0, 95. 2. Hàn hồ quang dươí lớp thuốc.

Với phương pháp này hồ quang cháy dưới lớp hạt thuốc hàn. a. Nguyên lý.

Hàn hồ quang dưới lớp thuốc là một quá trình hàn hồ quang trong đó một hoặc nhiều hồ quang hình thành giữa một hặc nhiều điện cực (dây hàn) và kim loại cơ bản. Một phần nhiệt sinh ra trong hồ quang làm nóng chảy điện cực, một phần đi vào kim loại cơ bản và tạo thành mối hàn. Phần còn


8


lại nung chảy thuốc hàn tạo thành lớp xỉ và khí bảo vệ hồ quang và kim loại nóng chảy. b. Đặc điểm.

Ưu điểm: Quá trình hàn dưới lớp thuốc có thể được thực hện theo tự động hoặc

bán tự động. Không phát sinh khói hồ quang kín do đó làm giảm thiểu nhu cầu đối

với trang phục bảo hộ của thợ hàn, không đòi hỏi kỹ năng cao của người thợ hàn.

Chất lượng kim loại mối hàn cao. Bề mặt mối hàn trơn và đều không có kim loại bắn toé. Tiết kiệm kim loại do sử dụng dây hàn liên tục. Tốc độ đắp và tốc độ hàn cao có năng suất hàn cao hơn 5 – 10 lần hàn hồ quang tay. Vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ ít biến dạng sau khi hàn. Dễ tự động hoá.

Tuy nhiên chúng cũng có những nhược điểm sau: Đòi hỏi kim loại cơ bản và vật liệu hàn sạch chuẩn bị trước khi hàn

công phu. Không thể quan sát trực tiếp vũng hàn chỉ hàn được ở tư thế hàn sấp với các đường hàn có hình dạng tương đối đơn giản.

Thiết bị có giá thành cao. c. Nguồn điện hàn.

Nguồn điện hàn dưới lớp thuốc có thể là biến áp hàn xoay chiều có đặc tuyến dốc hoặc máy phát hàn một chiều có đặc tuyến thoải, hoặc chỉnh lưu một chiều có đặc tuyến dốc hoặc thoải.

Nguồn điện hàn xoay chiều có ưu điểm chính là giảm thiểu được hiện tượng thổi lệch hồ quang (vấn đề lớn đối với nguồn một chiều làm việc ở cường độ trên 900A) nhưng lại đồi hỏi điều khiển phức tạp và việc gây hồ quang cũng không dễ dàng. Nguồn điện hàn xoay chiều có đặc tuyến dốc thường là loại có nguồn công suất không cao (điện áp không tải 80V) để cho hồ quang không tắt khi dòng điện đổi cực.

Nguồn điện hàn một chiều có ưu điểm là dễ gây hồ quang khả năng điều khiển thông số hình học của mối hàn và tốc độ hàn tốt. Dòng điện một chiều cực nghịch (+) cho hồ quang rất ổn định và vũng hàn nhỏ hơn (dễ khống chế biên dạng mối hàn). Chiều sâu ngấu lớn hơn so với một chiều cực thuận (-). Dòng một chiều cực thuận cho tốc độ đắp cao hơn nhưng chiều sâu ngấu nhỏ hơn. Chiều sâu ngấu khi hàn bằng dòng xoay chiều có giá trị giữa hai loại trên.

Các nguồn điện hàn cho hàn dưới lớp thuốc được thiết kế để làm việc ở chu kỳ tải 100% và hầu hết làm việc ở dải cường độ 200÷1000A.

Nguồn điện hàn một chiều có đặc tuyến dốc có thể là một máy phát hàn hoặc chỉnh lưu hàn. Khi nguồn hàn loại này được dùng chung với bộ cấp dây tự động để dòng hàn ở mức tương đối ổn định, cần duy trì điện áp


9


hồ quang (chiều dài hồ quang) không đổi ở mức có thể được. Khi điện áp hồ quang vượt quá giá trị đặt mạch điều khiển sẽ tăng tốc độ cấp dây để giảm chiều dài hồ quang và ngược lại. Kết quả là điện áp và cường độ dòng hàn tương đối ổn định.

Nguồn điện hàn một chiều có đặc tuyến thoải được dùng chung với bộ cấp dòng hàn cho dây hàn (bộ cấp dây) có tốc độ cấp dây cố định. Với nguồn này mạch điều khiển đơn giản hơn hẳn vì hồ quang tự điều chỉnh chiều dài một cách nhanh chóng và chính xác. Khi chiều dài hồ quang tăng ít cưòng độ dòng điện hàn giảm tương đối nhiều làm giảm tốc độ chảy của dây hàn. Kết quả là chiều dài hồ quang tương đối ổn định và có ít biến động về điện áp hồ quang do có phản hồi gần như tức thời (không có trễ).

Hình 1.6: Nguyên lý điều chỉnh chế độ làm việc của hồ quang.

Hình trên là sơ đồ nguyên lý điều chỉnh chế độ làm việc của hồ quang. Với loại nguồn này dòng ngắn mạch rất cao và dễ gây hồ quang. Loại này thích hợp hơn so với nguồn có đặc tuyến dốc trong trường hợp hàn các tấm mỏng (đến 4mm) vì điện áp hàn hầu như không đổi cho phép hàn với tốc độ cao. Tuy nhiên khi chiều dày tăng cần có đặc tuyến dốc hơn.

Hình 1.6a mỗi chiều dài L nhất định của hồ quang ứng với một dải dòng hàn và áp làm việc của nó.

Hình 1.6b là đặc tuyến thoải của máy hàn kết hợp với một chế độ làm việc ở chiều dài hồ quang L với một điểm là điểm làm việc bình thường của hồ quang.

Khi có sự tăng ΔL ứng với một sự tăng áp ΔU tại hai điểm có sự giảm mạnh ΔI về cường độ dòng hàn dẫn đến tốc độ chảy của dây hàn bị chậm lại, không được như cũ. Điều này làm cho chiều dài hồ quang bị ngắn lại 1 giá trị ΔL và điểm làm việc quay về điểm 1. Tương tự khi giảm ΔL. 3. Hàn hồ quang bằng điện cực lõi thuốc.


10


Hàn hồ quang bằng điện cực lõi bột là một quá trình hàn tương đối mới so với hàn bằng điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ. Trong lĩnh vực hàn thép cacbon và thép hợp kim thấp, hàn hồ quang điện cực lõi bột bằng phương pháp bán tự động thay thế dần cho nhiều ứng dụng hàn hồ quang tay. a. Nguyên lý.

Hàn hồ quang bằng điện cực lõi bột (còn gọi là hàn bằng điện cực lõi thuốc FCAW) có nguồn gốc từ quá trình hàn bằng điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ trong đó điện cực nóng chảy là một ống kim loại bên trong được điền đầy bằng thuốc hàn với chức năng tương tự vỏ bọc que hàn. Quá trình hàn có thể được thực hiện bằng một trong hai phương pháp : có sử dụng khí bảo vệ và không sử dụng khí bảo vệ (dây hàn tự bảo vệ). b. Đặc điểm.

Hàn bằng điện cực lõi bột khắc phục được những nhược điểm vốn có của hàn hồ quang tay như thời gian có hồ quang thấp, tổn thất đầu mấu que hàn, tốc độ đắp thấp, các yếu tố liên quan đến kỹ năng và sự mệt mỏi của người thợ hàn. Thiết bị hàn cho phép tự động cấp và điều khiển điện cực (dây hàn) một cách tự động để thợ hàn có thể tập trung vào chuyển động của hồ quang một cách dễ dàng.

Ưu điểm : Mức độ bắn toé thấp. Hình dạng bề mặt mối hàn được cải thiện đáng kể (do có chất ổn

định hoá hồ quang tạo xỉ trong thành phần thuốc hàn). Kim loại mối hàn ít bị rỗ khí. Mức độ tiêu thụ khí bảo vệ cũng thấp. Các nhà chế tạo điện cực không phụ thuộc vào nhà máy sản xuất

thép như với điện cực đặc. Nhược điểm:

Khối lượng lớn, nặng nề cồng kềnh. c. Dòng điện hàn.

Với nguồn điện hàn cố đặc tuyến thoải cường độ dòng điện hàn tỷ lệ với tốc độ cấp điện cực (dây hàn), với điều kiện là đường kính thành phần và tấm với điện cực không đổi khi các thông số khác của chế độ hàn không đổi, việc tăng cường dòng hàn sẽ làm tăng tốc độ đắp và chiều sâu ngấu. Cường độ dòng điện hàn thấp sẽ tạo thành dạng dịch chuyển kim loại điện cực dưới dạng giọt lớn và bắn toé nhều khi hàn bằng dây tự bảo vệ và có thể làm tăng lượng nitơ và rỗ khí trong kim loại mối hàn. Cường độ dòng điện hàn cao quá mức làm cho bề mặt mối hàn lồi nhiều và hình dạng mối hàn kém.


11


Khi thay đổi cường độ dòng điện hàn điện áp đầu ra của nguồn điện hàn phải có khả năng điều chỉnh thích hợp nhằm duy trì mối tương quan tối ưu giữa dòng điện hàn và điện áp hàn. Khi tốc độ cấp dây hàn không đổi sự gia tăng tầm với điện cực sẽ làm giảm cường độ dòng hàn và ngược lại. d. Điện áp hồ quang.

Điện áp hồ quang và chiều dài hồ quang tỷ lệ thuận với nhau. Chiều dài hồ quang lớn có thể làm điện áp hồ quang quá cao dẫn tới bắn toé quá mức, chiều rộng mối hàn lớn và hình dang bề mặt mối hàn không đồng đều. Khi dùng dây hàn tự bảo vệ điều này dẫn đến việc tăng nồng độ nitơ trong kim loại mối hàn. Điện áp hồ quang quá thấp sẽ làm hình dạng mối hàn lồi và hẹp, bắn toé quá mức và chiều sâu ngấu nhỏ. e. Tốc độ hàn.

Tốc độ hàn (tốc độ di chuyển của hồ quang dọc mối hàn) tăng sẽ làm giảm tiết diện mối hàn và chiều sâu ngấu. Tốc độ hàn quá thấp sẽ làm tăng mức độ nung nóng kim loại cơ bản và gây cháy thủng các tấm mỏng. Nó cũng gây nên hiện tượng mối hàn có bề mặt thô và lẫn xỉ. Tốc độ hàn quá cao cho hình dạng mối hàn không đều. 5. Hàn hồ quang PLASMA. a. Nguyên lý.

Hàn hồ quang Plasma điện cực không nóng chảy Vonfram và một phần cột hồ quang nằm bên trong một buồng khí bao quanh bằng kim loại và được làm mát bằng nước. Buồng máy này được kết thúc bằng một lỗ phun tại vòi phun hình trụ đồng trục với điện cực.

Dòng khí tạo Plasma khi đi qua lỗ phun sẽ được ổn định về mặt thể tích, được làm mát và được nén lại. Đồng thời dòng khí đó cũng được cách nhiệt và cách điện đối với bề mặt lỗ phun. Một phần khí này đi qua hồ quang, bị ion hoá và chuyển thành Plasma. b. Đặc điểm.

Ưu điểm: Mức độ tập trung năng lượng cao. Độ ổn định hồ quang cao hơn, đặc biệt ở chế độ cường độ dòng điện

hàn thấp. Dòng khí Plasma có tốc độ cao hơn. Các thông số của vùng hàn ít phụ thuộc vào sự thay đổi khoảng cách

làm việc. Không xảy ra hiện tượng nhiễm vật liệu điện cực vônfram vào vật

hàn. Yêu cầu đối với kỹ năng thợ hàn thấp hơn hàn tay.

Nhược điểm: Thiết bị đắt tiền hơn. Vòi phun có tuổi thọ thấp.


12


Thợ hàn phải có hiểu biết sâu về quá trình hàn này. Mức độ bảo vệ khí tiêu thụ cao.

c. Các đặc trưng điện của hồ quang Plasma. Là những đại lượng như cường độ dòng điện I, điện áp U, tổng công

suất hồ quang N, cường độ điện trường E trên từng đoạn của hồ quang : Ec

trên vòi phun, E0 giữa miệng vòi phun và vật hàn, mức độ giảm điện áp trên catod và anod Uka đặc trưng V-A của hồ quang…

Cường độ dòng điện hàn là thông số chính của hồ quang cũng như quá trình hàn. Nó ảnh hưởng đến các đặc trưng hình học và đặc trưng nhiệt của hồ quang, khả năng hàn ngấu áp lực và độ ổn định của hồ quang…. d. Đường đặc tính V-A của hồ quang.

Khi hàn bằng hồ quang Plasma dòng một chiều cực thuận điện áp phân bố không đều dọc trục. Tuỳ số phân bố điện áp ở các phân đoạn khác nhau của hồ quang cho phép chọn đúng kích thước hình học của vòi phun và chế độ hàn tối ưu.

Hình trên là đường đặc tính tĩnh của hố quang Plasma (đường kính vòi lỗ phun 4mm) với các loại khí bảo vệ và đặc trưng hồ quang khác nhau.

Sơ đồ hình trên cho thấy so với hàn hồ quang bằng điện cực không nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ khi hàn hồ quang Plasma điện áp hồ quang tăng nhanh hơn khi dòng điện hàn tăng. Điện áp hồ quang Plasma phụ thuộc vào loại khí bảo vệ. e. Nguồn điện hàn hồ quang Plasma.

Trong hầu hết trường hợp, nguồn điện hàn Plasma là nguồn một chiều có đặc tuyến dốc. Nguồn loại này thích hợp cho cả hàn cơ giới và hàn tay (dòng hàn không đổi theo chiều dài hồ quang). Để giảm thiểu lượng nhiệt trên điện cực, dòng điện hàn thường là dòng một chiều cực thuận. Khi dùng dòng một chiều cực nghịch (dùng cho hàn nhôm) phải sử dụng mỏ hàn có cấu tạo đặc biệt có khả năng làm mát tốt.

Dòng xoay chiều thường không được sử dụng trong hồ quang Plasma và vì khó dựng cho hồ quang ổn định.


13

Hình 1.7: Đặc tính tĩnh của hồ quang Plasma


6. Hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ. Hàn hồ quang trong môi khí trơ xuất hiện do nhu cầu về hàn kim loại

màu (nhôm, magiê, và hợp kim của chúng). Trong ngành chế tạo máy bay và ngành hóa chất. Chúng có thể phân hàn bằng điện cực không nóng chảy từ Vônfram hàn bằng điện cực không nóng chảy. a. Hàn hồ quang bằng điện cực không nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ. * Nguyên lý :

Hàn hồ quang bằng điện cực không nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ của khí trơ (hàn TIG, hàn GTAW) được mô tả về mặt nguyên lý như hình dưới.

Hình 1.8: Nguyên lý hàn hồ quang bằng điện cực không nóng chảy.

Khi hàn khí bảo vệ chạy liên tục từ thân mỏ hàn và chụp khí vào vùng hồ quang. Nhiệt độ của hồ quang làm nung chảy kim loại cơ bản và dây hàn phụ (nếu có) kim loại nóng chảy tại vũng hàn kết tinh tạo thành mối hàn. Khí bảo vệ có thể là Argon, helium, hoặc hỗn hợp khí (Ar+He, Ar+Co2) Khí bảo vệ có thê được đưa vào vũng hàn từ một phía bên điện cực hoặc từ xung quanh nó. * Đặc điểm :


14


Có thể đạt được mối hàn có cùng tính chất hoá lý luyện kim như kim loại cơ bản.

Không phải làm sạch mối hàn sau khi hàn (không có kim loại bắn toé, xỉ hàn).

Có thể hàn hầu hết kim loại thông dụng trong công nghiệp. Có thể hàn kim loại không đồng nhất và hàn đắp. Thích hợp cho hàn các tấm mỏng.

* Ổn định hồ quang một chiều thông qua pha chất hoạt tính vào vật liệu điện cực.

Mặc dù có độ ổn định tương đối cao, hồ quang dòng một chiều cực thuận có thể lệch khỏi trục của điện cực do lệnh vệt catod tại bề mặt đầu điện cực như ở hình dưới và cũng còn do cả tương tác của từ trường bên ngoài với bề mặt không đồng nhất về thành phần hoá học của đầu điện cực. Khi đó còn có thể nung chảy đầu điện cực.

Hình 1.9: Sự lệch vệt catod ở đầu điện cực.

Khi bổ sung thêm 1, 5÷3% các chất hoạt tính ThO2, LaO, Y2O3, ZrO2

sẽ khắc phục được hiện tượng trên. Điều này làm tăng độ ổn định của hồ quang. *Ổn định hồ quang xoay chiều.

Dòng hàn xoay chiều được sử dụng để hàn nhôm, magiê và hợp kim của chúng do có thể kết hợp tốt của việc làm sạch bề mặt mép hàn khỏi màng oxit có nhiệt độ nóng chảy cao với khả năng hàn ngấu kim loại cơ bản.

Điện cực Vônfram có các tính chất nhiệt và vật lý khác xa kim loại cơ bản gây nên tính không đối xứng của đường cong điện áp trong đó xuất


15


hiện thành phần một chiều trong mạch hàn. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng tự chỉnh lưu của mạch điện hàn có thể biểu diễn dòng hàn :

I2 =

Trong đó : U0 Thành phần điện áp một chiều của hồ quang. r2 điện trở mạch hàn. Bk và βk là biên độ và độ lệch pha tại thời điểm t của sóng hài

bậc cao. ω là tần số góc.

Hình 1.10: Ổn định hồ quang xoay chiều.

Thành phần một chiều xuất hiện do tự chỉnh lưu này còn có thể gây ra thành phần từ trường một chiều trong lõi biến áp nguồn và cuộn cảm làm cho dạng sóng dòng điện hàn bị biến dạng và gây nung nóng quá mức máy hàn.

Thành phần một chiều được khắc phục bằng cách mắc nối tiếp các bộ tụ điện có dung lượng đủ lớn vào mạch hàn(khoảng 300µF cho 1A) phương pháp này không có tổn thất làm tăng hệ số công suất và cải thiện điều kiện sử dụng biến áp. Trong bán chu kỳ âm của điện cực W các tụ điện này tích điện từ các năng lượng thừa và phóng trong bán chu kỳ dương. Điều này làm cho dạng sóng dòng hàn trở nên cân đối nên nó được gọi là tụ lọc hay bộ khử dòng một chiều. *Chế độ hàn xung

Ngoài chế độ hàn thông thường các thiết bị hàn bằng điện cực không nóng chảy trong môi trường khí trơ còn có thể được trang bị các bộ tạo xung.


16


Hình 1.11: Chế độ hàn xung.Trong đó:

Ip Cường độ dòng hàn xung(giá trị làm việc). Ib Cường độ dòng hàn cơ bản. A Thời gian tác động của khí bảo vệ trước khi gây hồ quang. B Thời gian tác động của một xung hàn. C Thời gian không có xung hàn (giữa hai xung liên tiếp). D Thời gian tác động của khí bảo vệ sau khi tắt hồ quang.

Chúng có các đặc điểm : Không đòi hỏi chặt chẽ dung sai lắp gá như khi hàn không có xung. Cho phép hàn các tấp mỏng dưới 1mm (khó hàn khi không có xung). Giảm biến dạng do khống chế được năng lượng đường. Không đòi hỏi có tay nghề cao như khi không có xung. Chất lượng hàn được cải thiện đáng kể. Thích hợp cho hàn cơ giới tự động. Với lực điện từ mạnh của hồ quang hạn chế được rỗ khí và tăng

chiều sâu chảy. Các loại xung hàn hay sử dụng : Xung tần số thấp 0, 1÷20Hz đây có thể là xung xoay chiều hoặc một

chiều. Chúng được dùng cho hàn các tấm có chiều dày khác nhau, hàn ống có chiều dày 1mm, hàn các kim loại cơ bản khác nhau.

Xung tần số trung bình từ 100÷500Hz. Đây là loại xung một chiều dùng cho hàn các tấm mỏng, hàn ống chiều dày đến 0, 3mm (Tốc độ 3m/s) hàn các kim loại cơ bản không đồng nhất.

Xung tần số cao 1÷25Khz. Đây là loại xung một chiều dùng cho hàn các tấm cực mỏng (đến 0, 1mm) đòi hỏi độ chính xác cao, hàn ống mỏng. b. Hàn bằng điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ. * Nguyên lý.


17


Khi hàn trong môi trường khí bảo vệ bằng điện cực nóng chảy hồ quang giữa hai đầu điện cực(dưới dạng dây hàn) và vật hàn liên lục nung chảy điện cực và mép hàn. Dây hàn được cấp vào vùng hồ quang thông qua cơ cấu cấp dây với tốc độ bằng tốc độ chảy của dây hàn (với điều kiện chiều dài trung bình của hồ quang không đổi). Phần điện cực được nung chảy chuyển dịch vào vũng hàn theo một trong các loại cơ chế dịch chuyển kim loại vào vũng hàn và phụ thuộc vào cường độ dòng điện hàn, đường kính điện cực, chiều dài hồ quang, nguồn điện hàn và loại khí bảo vệ. *Nguồn hàn.

Hình 1.12: Nguồn hàn một chiều phổ biến

Phổ biến là loại một chiều nối cực dương vào súng hàn và cực âm vào vật hàn (hồ quang ổn định, chuyển dịch kim loại êm, ít bắn toé trên toàn bộ dải cường độ dòng điện hàn). Trong các loại đặc tuyến, nguồn hàn có đặc tuyến thoải (dùng chung với bộ cấp hàn có tốc độ cấp dây hàn 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 có đặc tuyến thoải có tầm quan trọng đặc biệt trong việc tạo ra điều kiện hàn ổn định. Đặc tuyến dốc không thích hợp do đòi hỏi khắt khe đối với hệ thống điều khiển tốc độ cấp dây và hồ quang không có khả năng tự điều chỉnh. 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 xoay chiều loại mới có sử dụng chế độ xung cho hồ quang ổn định, ít bắn toé.

Điện áp hồ quang tỷ lệ thuận với chiều dài hồ quang. Độ dốc của đặc tuyến máy hàn là tỷ số giữa thay đổi điện áp và thay

đổi tương ứng của dòng điện hàn thường được tính bằng giá trị giảm điện áp tính bằng V trên giá trị tăng 100A. Độ dốc này thường không đổi cho một nguồn hàn cụ thể.


18


CHƯƠNG IICÁC VẤN ĐỀ CƠ BẢN CỦA MÁY HÀN TIG

TIG( Tungsten Inert Gas ): Trong máy hàn TIG, một điện cực vonfram đốt chảy kim loại cần hàn và khí (thông dụng nhất là khí ARGON) bảo vệ vũng hàn tránh bị ôxy hóa. Máy hàn TIG cho mối hàn bóng và có thể hàn trên nhiều kim loại.

Máy hàn TIG sử dụng một điện cực vonfram không nóng chảy. Kim loại dùng để điềm đầy , khi cần thiết sẽ được thêm vào bằng

tay. Khí trơ bảo vệ cho mối hàn và các điện cực vonfram. Sảm phẩm hàn có chất lượng cao, mối hàn nhẵn bóng. Có thể hàn được nhiều kim loại hơn so với các máy khác.

Một sơ đồ hệ thống điển hình của máy hàn TIG được chỉ ra như hình vẽ:

Hình1.13: Hệ thống tổng quan máy hàn TIG.1. Nguồn hàn.

Thông số đầu ra của máy hàn là điều rất quan trọng cần phải lưu tâm. Dạng điện áp và dòng điện trong chu trình làm việc phải được xác định rõ ràng. Tiếp đó máy hàn cần được chọn với đầu ra cần thiết và có thời gian thích hợp với nhiệm vụ và phạm vi chu trình tải.

Hàn tia lửa điện thường có dòng điện đầu ra thấp khoảng 200 A hoặc nhỏ hơn, thường có thể làm với máy hàn một pha. Chu trình tải cần thiết thường nằm trong phạm vi 60% hoặc nhỏ hơn. Với loại máy này đặc biệt thích hợp với những cửa hàng và phân xưởng nhỏ ở đó họ dùng nguồn công suất một pha là phù hợp và tiện dụng. Một trong những máy hàn một


19


pha nhỏ có khả năng sử dụng nguồn công suất 115V xoay chiều, những máy hàn khác có thể sử dụng nguồn công suất 230V hoặc cao hơn.

Những máy hàn TIG một chiều lớn sử dụng bản cực nặng chế tạo cấu trúc và sản suất máy hàn lớn hầu hết phải dùng đến nguồn công suất xoay chiều 3 pha. Những máy hàn thường có dung lượng trên 200A và thường làm việc với 100% chu kỳ tải. 2. Hằng số công suất nguồn dòng.

Công suất hàn hồ quang được phân loại trong các điều khoản của đặc tính ra với điện áp và dòng điện có thể là hằng số dòng điện, hằng số điện áp hoặc cả hai.

Máy có dòng không đổi sử dụng trong máy hàn loại TIG (GTAW) đảm bảo dòng điện là hằng số chạy trong mạch hàn. Dòng điện này luôn được giữ không đổi khi điện áp (chiều dài hồ quang) thay đổi. Với quy trình như GTAW và máy hàn hồ quang điện cực kim loại (SMAW) cần những thợ hàn để giữ cố định chiều dài hồ quang.

Nguồn điện áp không đổi giữ điện áp tại giá trị đặt không đổi khi dòng điện sử dụng trong suốt chu trình. Đây là loại nguồn công suất mà nó sử dụng hàn hồ quang kim loại có khí bảo vệ (GMAW) hoặc hàn kim loại được bảo vệ khí với điện cực nóng chảy (MIG). Chu trình giống GMAW và hàn hồ quang điện cực lõi thuốc (FCAW) cần thiết bị duy trì chiều dài hồ quang đặc biệt.

Hình 1.14: Quan hệ điện áp và dòng điện khi điận áp không đổi.

Hình 1.12 chỉ ra quan hệ giữa điện áp và dòng điện của hiệu ứng nguồn lý tưởng. Nó có thể tính toán nguồn điện áp mà có điện áp là hằng số khi dòng điện tạo ra điện áp luôn giữa ở giá trị 12 V.

Một vài sự thay đổi trong chiều dài hồ quang sẽ tạo ra hiệu ứng điện áp. Hồ quang càng dài điện áp càng cao và ngược lại. Những thợ hàn rất


20


khó duy trì chiều dài hồ quang, điện áp sẽ thay đổi tương ứng với hồ quang chuyển động ngang vật hàn. Sự thay đổi điện áp (chiều dài hồ quang) là nguyên nhân làm cho dòng điện ra dao động. Điện áp đầu ra nên được giữ ở hằng số có thể chấp nhận được với chu trình TIG. Dòng điện sinh nhiệt làm chảy kim loại và cho phép hàn chắc chắn. 3. Một số nguồn công suất cơ bản.

Nguồn công suất hữu ích lý tưởng của nguồn dòng không đổi rất đa dạng được chỉ ra trong hình dưới.

Hình1.15: Quan hệ điện áp dòng điện khi dòng điện là hằng số.

Hình 1.13 cho quan hệ giữa điện áp – dòng điện ở đó hắng số dòng điện cỡ 100A ở đầu ra không thay đổi gì với bất kỳ điện áp nào.

Quan hệ điện áp dòng điện trong hình dưới biểu thị những nguồn công suất TIG và quan hệ V-A đầu ra điện áp là hằng số hoặc nguồn công suất máy hàn hồ quang khí cực trơ Vonfram.

Hình 1.16: Quan hệ giữa điện áp và dòng điện của nguồn hàn TIG.


21


Độ dốc của hằng số dòng điện ở đồ thị miêu tả đầu ra của nguồn công suất từ. 5. Bộ nguồn công suất chuyển đổi.

Bộ nguồn công suất chuyển đổi được hình thành từ những năm 1940 nhưng không thành công trên thị trường mãi tới năm 1970.

Thay vì vận hành tại đầu vào thông thường tần số 50 hoặc 60Hz bộ chuyển đổi tần số nổi tiếng lớn gấp 1000 lần tần số đầu vào. Nó cho phép giảm mạnh lõi từ máy biến áp và giảm không gian chứa lõi. Kết cấu máy nhỏ gọn về trọng lượng hơn rất nhiều máy biến áp dùng cho nguồn công suất chỉnh lưu thường.

Hình 1.17: Các khối hàm của bộ chuyển đổi nguồn công suất ở máy hàn TIG AC/DC.

Hình 1.15 là những khối hàm của bộ chuyển đổi nguồn công suất máy loại này có thể chạy đơn pha hoặc ba pha, chúng bảo vệ chỗ hàn một cách kín đáo. Điều trước hết bộ chuyền đổi thực hiện là chỉnh lưu từ điện áp cao dòng thấp xoay chiều thành một chiều. Sau đó nó sẽ lặp đưa đến bộ chuyển đổi có thiết bị với tốc độ đóng cắt lớn (transitor công suất). Nó như một khoá điều khiển tắt và bật. Chúng có thể đóng cắt rất nhanh tới 50 000 lần trong 1s. Áp cao dòng thấp phía đóng cắt một chiều giống như phía sơ cấp máy biến áp xoay chiều nhưng với kích thước nhỏ gọn rất nhiều lần so với máy biến áp hoạt động ở tần số 50/60Hz. Áp thấp dòng cao qua bộ lọc cải thiện hồ quang hàn một chiều hoặc chuyển thành xoay chiều. Nguồn xoay chiều hoặc một chiều cung cấp ngọn lửa hàn cho máy hàn TIG.

Hoạt động của nguồn công suất một số nguồn công suất hàn hồ quang đầu tiên được phát minh từ những loại máy phát mà nó cung cấp dòng điện hàn dưới sự chuyển động tương đối của Rôto xung quanh Stato. Nguyên lý này tương tự như dòng phát bởi sự chuyển động của từ trường. Sự chuyển động trong những máy này được cung cấp bởi động cơ điện.

Khái niệm này vẫn được ứng dụng tốt trong những nguồn công suất hiện đại với những động cơ điện trong tàu điện hoặc động cơ Diezen, Điều đặc biệt của hệ điện cơ là chúng trở nên có ích với những người thợ hàn phụ thuộc vào kinh tế.


22


6. Chu trình tải. Chu trình tải là điều quan trọng nhất trong việc lựa chọn máy hàn.

Chu trình tải của nguồn hàn vận hành trong thực tế có thể sử dụng với loại tải không vuợt quá nhiệt độ giới hạn của sự cách ly của các thành phần.

Chu trình công suất cơ bản với 10 phút theo tiêu chuẩn của Mỹ tuy nhiên ở một số nơi trên thế giới chẳng hạn ở Châu Âu chu trình tải khoảng 5phút. Trường hợp đơn giản chu trình tải bằng 50% với tiêu chuẩn của nước Mỹ thì máy hàn chỉ vận hành tại đầu ra khoảng 5phút. 7. Máy hàn một pha - ba pha.

Máy hàn một chiều thông thường cần đến nguồn một pha hoặc ba pha. Nguồn ba pha khá phổ biến trong máy hàn công nghiệp bởi vì nguồn ba pha tạo ra hồ quang mịn hơn một pha. Đa số máy hàn TIG AC/DC vận hành với nguồn một pha. 8. Các thiết bị phụ trợ.

Bộ kích hoạt hồ quang với tần số cao và ổn định sử dụng với nguồn xoay chiều hoặc một chiều. Thiết bị này đặc biệt hữu ích khi hàn nhôm, magiê, inox, titan, đồng đỏ và một số kim loại quý khác để hàn vật liệu. Một số nguồn hàn TIG một chiều không sự dụng tần số cao chúng sử dụng hồ quang cháy vụt lên hoặc công nghệ kích hoạt khi tiếp xúc nó cho phép chúng có chức năng trên kim loại đặc biệt.

Một số thiết bị được đặc trưng van điều khiển khí, rơle thời gian và mạch điều khiển để điều chỉnh dòng chảy của khí cùng với dòng điện cao tần.

Một điều kiện không cân bằng khi nguồn công suất xoay chiều dạng sin được sử dụng cho máy hàn TIG. Điều kiện không cân bằng cung cấp một dòng điện lưu thông tạo thành sự không cân bằng. Những thành phần xoay chiều này sẽ làm tăng nhiệt độ trong nguồn. Một số nguồn được thiết kế sử dụng điện trở Niken – Crôm dạng dẹt giúp cân bằng tiêu tán nhiệt. Một số khác sử dụng điện dung nối với nguồn. Ngoài ra còn sử dụng nguồn một chiều nối tới mạch điện tạo hồ quang. Tất cả được sử dụng để giảm thiểu hiện tượng không cân bằng. Do đó nguồn xoay chiều dạng sóng vuông được thiết kế để điều khiển dạng sóng và không cần quan tâm tới hiện tượng không cân bằng. Nhiệt độ trong máy biến áp chính ở máy hàn một chiều là nguyên nhân tối thiểu tạo ra hai vấn đề sau :

1. Đánh thủng cách điện trên các cuộn dây với nhau và cách điện giữa cuộn dây với lõi.

2. Một sự suy giảm hiệu suất máy biến áp do điện trợ tăng của sự tăng nhiệt ở cuộn dây và lõi.

Khi nguồn không được thiết kế hiệu quả cho máy hàn TIG sử dụng để hàn Nhôm hoặc Magie thành phần một chiều phải được tính toán nhằm


23


giảm chu trình tải. Giảm sự thay đổi của dòng điện sẽ ngăn chặn được sự quá nhiệt và phá huỷ biến áp công suất. 9. Làm mát của máy hàn hồ quang điện cực trơ Vônfram có khí bảo vệ(TIG).

Khi hàn với chu trình của máy hàn TIG có một điều thực tế là đa số nhiệt trở thành hố quang. Tuy nhiên một số lượng đáng kể được giữ lại trong ngọn lửa. Do đó một số biện pháp được thực hiện với điều kiện là ngăn chặn nhiệt phát tán.

Các phương pháp làm mát trong máy hàn TIG có thể là làm mát bằng nước hoặc làm mát bằng không khí. Công suất cao hoặc ngọn lửa với cường độ dòng điện lớn thường được làm mát bằng nước. Trong khi công suất bình thường với cường độ dòng điện thấp có thể làm mát bằng không khí.10. Qúa trình phát sinh hồ quang và điều khiển súng hàn.

Trên hình vẽ: 1-Điện cực hàn 2-Vật hàn

Súng hàn được hạ dần để điện cực tiến gần vật hàn. Khi này xuất hiện các dòng điện tích bắt đầu chuyển động dưới điện trường của điện áp 2 đầu cực. Khi điẹn cực chạm vào vật hàn, ta giữ trạng thái này trong thời gian 1-2s, để hồ quang bắt đầu phát sinh. Sau đó nâng từ từ súng hàn để đưa điện cực xa vật hàn ở một khoảng cách nhất định tỷ lệ với điện áp hồ quang.

11. Ống nối.

Hình 1.19: Ống nối trên súng hàn.


24

Hình1.18 : Qúa trình tạo hồ quang hàn


Điện cực hàn được giữ với tay cầm bởi một ống nối. Ống nối thường được làm bằng đồng hoặc hợp kim đồng. Sự kẹp chặt của ống nối vào điện cực rất an toàn khi cáp phía tay cầm được căng ra. Sự tiếp xúc điện phải được đảm bảo giữa ống nối và điện cực Vônfram để cho sự truyền dẫn của dòng điện được tốt. 12. Ống dẫn khí.

Là thiết bị có thể thay thế ống nối bình thường. Nó gắn vào phần tay nắm và được sử dụng để làm giảm sự chuyển động không đều và tăng cường dòng chảy của khí.

13. Miệng vòi. Miệng vòi có thể được làm bằng gốm kim loại, kim loại bao quanh

gốm sứ, thuỷ tinh hoặc một số chất liệu khác. Miệng vòi của một cỡ chỉ cho phép một lượng khí chảy ổn định khi có sự náo loạn khí xảy ra thì hiệu ứng bao quanh sẽ giảm và miệng vòi cần tăng một hiệu ứng hoàn lại nhằm chống lại sự náo loạn dòng chảy của khí.

Hình 1.21: Miệng vòi.14. Khí hàn.

Khí dùng bảo vệ mối hàn và điện cực trơ trong máy hàn TIG thường sử dụng là Helium và Argon. So sánh giữa hai loại khí này thì Argon được áp dụng rộng rãi hơn. Vì Helium có khả năng dẫn nhiệt tốt hơn, điều này làm cho hồ quang phát sinh phân tán mà không tập trung như đối với Argon.


25

Hình1.20 : Ống dẫn khí


Hình1.22 : Hình dạng hồ quang đối với các khí Helium và ArgonBình chứa khí trơ có thể tích tùy theo loại máy và yêu cầu làm việc,

nó có hệ thống đồng hồ đo áp suất khí và van điều khiển lưu lượng khí ra trong quá trình hàn:

Hinh1.23 : Bình chứa khí trơ với hệ thống giám sát và điều chỉnh lưu lượng khí

15. Điện cực hàn.Điện cực hàn thường là vonfram hay hợp kim của vonfram, là loại

điện cực không nóng chảy. Chúng có các kích cỡ khác nhau, được gắn trong súng hàn. Tùy theo loại nguồn hàn mà điện cực có hình dạng khác nhau. Đối với máy hàn Tig một chiều đầu điện cực thường nhọn, còn với máy hàn Tig xoay chiều đầu điện cực có dạng tù tròn.

Hình1.24 : Điện cực hàn xoay chiều (trái) và một chiều (phải)


26


CHƯƠNG IVKHÁI QUÁT VỀ MẠCH ĐỘNG LỰC CỦA MÁY HÀN TIGVới sơ đồ động lực của máy hàn TIG có một số vấn đề cần xem xét

như sau. I. Nguồn hàn.

Đối với máy hàn một chiều thì quan trọng nhất đó là việc cấp nguồn hàn. Nguồn hàn rất quan trọng nó quyết định đến quá trình hàn vì nguồn hàn sẽ trực tiếp tạo ra công suất hàn, dòng điện hàn, chu kỳ tải, điện áp hàn (liên quan trực tiếp đến chiều dài hồ quang). Nguồn hàn cũng trực tiếp quyết định tới sơ đồ động lực của máy hàn. Sau đây là giới thiệu về một số nguồn hàn thông dụng. 1. Biến áp hàn.

Trong các loại máy hàn biến áp hàn được sử dụng rộng rãi nhất do giá thành rẻ, kết cấu đơn giản và dễ bảo dưỡng. Biến áp hàn cung cấp dòng hàn xoay chiều. Các loại biến áp hàn dùng trong chế tạo thường có dòng điện hàn 200 ÷ 500 A với chu kỳ tải 60%. Với công việc hàn nhẹ người ta thường dùng biến áp hàn có cường độ dòng điện hàn 50 ÷ 200 A. Với hàn dưới lớp thuốc biến áp hàn có thể cho cường độ lên đến 1000 ÷ 1500 A với chu kỳ tải 100%. Một máy biến áp hàn thường có bốn bộ phận chính : khối lõi và cuộn dây, khung, hệ thống làm mát và cơ cấu điều khiển dòng điện hàn. Trong môi trường ăn mòn hoặc bụi kim loại biến áp hàn được làm mát bằng dầu. Dòng điện hàn thường được điều khiển theo 1 trong 5 phương pháp : bảng chuyển mạch, lõi di động, mạch shunt từ, cuộn dây di động và cảm kháng bão hoà từ. a. Điều khiển bằng chuyển mạch

Một cách kinh điển thường điều khiển dòng hàn là điều khiển điện áp thứ cấp biến áp bằng cách thay đổi số vòng dây thứ cấp theo từng nấc của biến áp tự ngẫu (như trên hình 1.25)


27

H×nh 1.25: §iÒu khiÓn dßng hµn b»ng chuyÓn m¹ch


b. Điều khiển bằng cuộn kháng ngoài Điều chỉnh dòng hàn tương ứng với các que hàn trong nguồn hàn

loại này được thực hiện bằng cuộn kháng ngoài như trên hình 1.26. Điện áp khi có tải được tính:

Uhq = U2 –UCK

Trong đó: Uhq - điện áp vùng hồ quang; U2 - điện áp thứ cấp biến áp; UCK - điện áp rơi trên cuộn kháng Điện áp rơi trên cuộn kháng được tính:

UCK = I2(RCK + j.XCK) ≈ .L.I2.Trong đó:

RCK - điện trở của cuộn kháng; XCK - điện kháng của cuộn kháng; L - điện cảm của cuộn kháng.

Khi làm việc, dòng điện hàn I2 tăng điện áp rơi trên cuộn kháng cũng tăng, điện áp hồ quang giảm. Khi dòng điện hàn tăng tới dòng điện ngắn mạch Inm điện áp hồ quang bằng 0.

I2 = Inm =

Như vậy, muốn thay đổi đặc tính hàn (như trên hình 1.26b) cần điều chỉnh giá trị điện cảm. Như đã biết giá trị điện cảm cuộn dây phụ thưồct trở mạch từ. Từ trở mạch từ tăng khi giảm khe hở của cuộn kháng. Tương ứng, khe hở càng tăng dòng điện ngắn mạch cũng tăng.


28

W2

W1

U1

CK

U0

U

I

Inm1Inm2Inm3

3 2 1

1>2>3

a)b)

H×nh 1.26. ĐiÒu khiÓn dßng hµn b»ng cuén kh¸ng ngoµi; a) s¬ ®å m¹ch ®iÖn, b) hä ®Æc tÝnh ®iÒu khiển

chØnh


c. Điều khỉên bằng biến áp hàn và cuộn cảm mắc hỗn hợpLoại nguồn hàn này, cuộn kháng và biến áp được chế tạo có mạch từ

liên hệ từ với nhau như trên hình 1.27.

Điện áp khi không tải:U0 = U2 + UCK (ck-3)

Khi thay đổi khe hở mạch từ cuộn kháng, thành phần điện áp UCK ở biểu thức (ck-3) thay đổi, nên đồng thời cũng thay đổi điện áp không tải U0. Nói cách khác điện áp không tải cũng là một hàm của khe hở .Điện áp hồ quang khi có tải: Uhq = U2 + UCK - U

Trong đó: U điện áp rơi trên biến áp và cuộn khángU = I2(X2+XCK)

nên:UHQ = U2+ UCK – I2 (X2+XCK) (ck4)

Từ biểu thức (ck-4) thấy rằng, dòng điện ngắn mạch được tính khi điện áp hồ quang bằng 0

(ck-5)

Như vậy, khi thay đổi khe hở đồng thời điện áp không tải (biểu thức (ck-3)) và dòng điện ngắn mạch (biểu thức (ck-5)) cùng thay đổi. Khi đó có họ đặc tính điều chỉnh của loại nguồn này được vẽ trên hình ck2bd. Điều khiển bằng shunt từ


29

U

U03

U01

U02

Inm3 Inm2 Inm1 Ia) b)

H×nh 1.27: Nguån hµn kiÓu hçn hîp; a) s¬ ®å m¹ch ®iÖn, b) ®Æc tÝnh ®iÒu chØnh

HQ

CK

U1W1

W2


Người ta đưa một Shunt từ vào giữa mạch từ biến áp như trên hình ck3, nó được bố trí gữa cuộn dây sơ và thứ cấp của biến áp. Shunt từ được di chuyển theo chiều sâu vào hay kéo ra khỏi mạch từ. Như đã biết sức điện động cuộn dây thứ cấp biến áp:

E2 = 4,44.k.f.W2. (ck-6)Từ thông do cuộn dây sơ cấp sinh ra (trên hình 1.28) khép vòng

trong mạch từ chính chạy qua cuộn dây thứ cấp và trong mạch từ phụ chạy qua shunt từ .

Khi dịch chuyển shunt từ, từ thông mạch từ chính và phụ phân bố lại làm cho từ thông qua cuộn dây thứ cấp thay đổi, kéo theo điện áp thứ cấp thay đổi, dòng điện hàn được điều khiển. Ví dụ kéo shunt ra, từ thông qua mạch shunt từ giảm, từ thông qua cuộn dây thứ cấp tăng, dòng điện hàn tăng. e. Điều khiển bằng di chuyển cuộn dây

Một cách khác điều chỉnh điện áp thứ cấp biến áp bằng điều chỉnh từ thông là thay đổi vị trí cuộn dây thứ cấp (hoặc sơ cấp) như trên hình 1.29.

Người ta bố trí các cuộn dây sơ và thứ cấp biến áp lệch nhau tương ứng trong không gian. Khi cấp dòng điện vào cuộn dây sơ cấp, từ thông do cuộn dây sơ cấp sinh ra được


30

Cuén d©y s¬ cÊp

Cuén d©y thø cÊp

Shunt tõ

M¹ch tõ

H×nh1.28. Nguån hµn ®iÒu chØnh b»ng shunt tõ

1

S

2

Cuén d©y s¬

cÊpCuén d©y

thø cÊpM¹ch tõ

H×nh 1.29. Nguån hµn ®iÒu chØnh b»ng dÞch chuyÓn cuén

d©y

C

T


chạy trong mạch từ chính (đường nét liền) và từ thông tản (đường nét đứt). Từ thông chính chạy qua cuộn dây thứ cấp, còn từ thông tản chạy qua cuộn dây thứ cấp nhiều hay ít phụ thuộc vị trí cuộn dây. Khi dịch chuyển cuộn dây thứ cấp lên phía trên (hình 1.29) từ thông qua cuộn thứ cấp lớn, điện áp thứ cấp lớn và ngược lại.

2. Máy phát hànĐây là động cơ điện một chiều chạy bằng động cơ điện hoặc máy nổ

nối liền khối với nguồn hàn. Máy phát hàn thường có cường độ dòng điện hàn 200 ÷ 600 A. Điện áp ra và dòng điện hàn trên máy được điều khiển thông qua một biến trở. Máy phát hàn thường có đặc tuyến dốc (cho hàn hồ quang tay) hoặc thoải. Máy phát hàn thường có tốc độ quay trong khoảng 1500 ÷ 3000 vòng/phút. Máy phát hàn chạy điện thường có tốc độ quay 1500 vòng/phút. Động cơ điện ở đây là loại cảm ứng ba pha lồng sóc với ưu điểm là mômen khởi động cao, bền vững và không làm mạng điện bị lệch tải. Để giảm quá tải khi khởi động phải nối Δ/Y và phải có khởi động từ. Bộ điều khiển từ xa để tạo điều kiện cho thợ hàn điều chỉnh cường độ dòng điện một cách thích hợp từ vị trí hàn.

Máy phát hàn một chiều thường được chế tạo theo ba kiểu chính như sau :

Máy phát hàn một chiều kích từ độc lập có cuộn khử nối tiếp. Máy phát hàn một chiều kích từ song song có cuộn khử nối tiếp. Máy phát hàn một chiều có cực từ rẽ.

Hình dưới đây chỉ ra sơ đồ máy phát hàn một chiều kích từ độc lập có cuộn khử nối tiếp.

Hình 1.30: Máy phát hàn một chiềukích từ độc lập có cuộn khử nối tiếp.


31


Máy phát hàn loại này có hai cuộn kích từ : cuộn kích từ độc lập W1 được cấp điện từ nguồn một chiều độc lập có điều chỉnh dòng điện kích từ sử dụng triết áp VR và cuộn khử từ nối tiếp W2 được đấu nối tiếp với phần ứng của máy phát. Từ thông sinh ra trong cuộn W1 ngược chiều với từ thông sinh ra trong cuộn W2, từ thông trong cuộn W2 tỷ lệ với dòng điện hàn. 3. Chỉnh lưu hàn. Sự phát triển của kỹ thuật bán dẫn công suất lớn đã đưa ra rất nhiều ứng dụng của nó trong việc thiết kế nguồn hàn một chiều. So với máy phát hàn một chiều thì loại máy hàn dùng nguồn chỉnh lưu có ưu điểm nổi bật sau đây :

Chỉ tiêu năng lượng cao. Không có phần quay. Hiệu suất cao, chi phí vận hành, bảo dưỡng và sửa chữa thấp.

Các loại nguồn hàn dùng bộ chỉnh lưu gồm hai bộ phận chính : máy biến áp hàn và bộ chỉnh lưu.

Chỉnh lưu hàn cũng cung cấp dòng một chiều như máy phát hàn nhưng bản thân nó không gồm các chi tiết chuyển động ngoại trừ quạt làm mát. Các bộ phận chính gồm : Máy biến áp hàn (một hoặc ba pha), bộ phận điều khiển và bộ chỉnh lưu. Bộ chỉnh lưu hàn có thể có đặc tuyến dốc (dòng điện hàn 200 ÷ 600 A) hoặc thoải (dòng hàn 300 ÷ 1500A). Với loại đặc tuyến dốc dòng hàn được điều chỉnh thông qua thay đổi trở kháng bằng một trong những thiết bị sau : cuộn dây di động, shunt từ di động, cảm kháng báo hoà từ, bộ khuyếch đại từ, cảm kháng chuyển mạch, lõi cảm kháng di động. Một trong những ưu điểm của máy hàn chỉnh lưu là mặc dù dùng để cung cấp dòng hàn một chiều nhưng có thể dùng chúng để hàn bằng dòng xoay chiều (khi ngắt thiết bị chỉnh lưu ra khỏi mạch điện).

Chỉnh lưu hàn có đặc tuyến thoải một số máy có đặc tuyến cố định, một số loại cho phép thay đổi độ dốc của đặc tuyến (thường nằm trong khoảng 1 ÷ 3V/100A). Các máy chỉnh lưu hàn thường có điện áp không tải từ 75V, 30V đến 20V hoặc thậm chí 10V.

Các loại nguồn hàn chỉnh lưu:a. Nguồn hàn điều khiển bằng điện từ.


32H×nh 1.31: Nguån hµn ®iÒu khiÓn b»ng ®iÖn tõ


Nguồn từ lưới điện có đặc điểm điện áp cao và dòng thấp sau khi qua biến áp dòng thứ cấp cao hơn và điện áp thứ cấp thấp hơn và cấp cho máy hàn. Máy biến áp không làm thay đổi tần số điện. Với đặc điểm dòng cao và điện áp thấp được chỉnh lưu thành dòng điện một chiều nhấp nhô. Sau đó, bộ lọc bằng điện cảm có tác dụng làm phẳng và ổn định dòng điện ra để có thể đáp ứng cho yêu cầu của nhiều loại máy hàn hồ quang khác nhau. Nguồn dòng điện ổn định là điều kiện hết sức thuận lợi cho máy hàn hồ quang làm việc tốt. Vì vậy, bộ điều khiển nguồn điện rất cần thiết cho máy hàn. nếu dòng điện đặt vào là chuẩn xác thì mối hàn sẽ rất chắc chắn. ổn định dòng điện hàn có thể thực hiện bằng mạch điện từ với chỉnh lưu không điều khiển như trên hình hh1.

Tuy nhiên, loại mạch này có quán tính điều khiển chậm, khó tự động hoá, do đó các mạch điều khiển điện tử như trên hình hh2 được thay thế. các bộ chỉnh lưu có điều khiển có các thông số đầu ra như điện áp hay dòng điện của chúng rất ổn định. Để làm được việc này, cần có thêm mạch phản hồi thì thông số đầu ra luôn luôn được tự động điều chỉnh. Nếu mỏ hàn được nâng lên và hồ quang thấp thì dòng điện vẫn được duy trì.

Trong mạch điều khiển có phản hồi của bộ biến đổi, nhờ vào mạch phản hồi mà điện áp và dòng điện luôn được bù lại. Đôi khi, chúng cũng được cho phép sai lệch ±10%. Đối với những loại nguồn hàn không được bù như vậy thì có thể sai lệch lớn hơn 10%, khi đó năng lượng hồ quang có thể thay đổi từ 10% đến 20%. Đối với loại máy có bù điện áp ở đầu nguồn của máy hàn, thì cho dù ở nguồn điện áp có thể thay đổi lớn hơn 10% thì công suất truyền tới hồ quang cũng chỉ thay đổi trong phạm vi rất hẹp là ± 2%. Điều này rất phù hợp với máy hàn, vì năng lượng hồ quang dao động trong phạm vi hẹp nên mối hàn chắc chắn hơn.

Sơ đồ mạch chi tiết nguồn hàn một chiều kinh điển được vẽ trên hình 1.33.

Nguồn cấp từ lưới qua biến áp biến đổi thành điện áp phù hợp, sau đó qua bộ chỉnh lưu có điều khiển một pha (cầu một pha không đối xứng hay cả chu kì với bién áp trung tính) nếu nguồn cấp một pha hay qua bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng khi nguồn cấp ba pha.


33

H×nh 1.32: æn ®Þnh dßng hµn b»ng m¹ch chØnh l u cã ®iÒu khiÓn


Điều khiển bộ chỉnh lưu này được thiết kế theo nguyên tắc ổn định dòng điện. Tín hiệu dòng điện được lấy qua biến dòng phản hồi âm đưa về mạch điều khiển, nhằm ổn định dòng điện hàn.

Điện áp điều khiển chỉnh lưu được thiết kế theo nguyên tắc:Uđk = Uđặt - UPHI (h-1)

Trong đó: Uđk - điện áp điều khiển đưa tới mạch tạo xung. Uđặt - tín hiệu đặt dòng điện. UPHI - tín hiệu phản hối dòng điện lấy từ cảm biến dòng điện.

Khi dòng điện hàn thay đổi, tín hiệu điều khiển Uđk tự động thay đổi, tự động thay đổi góc mở tiristor theohướng ổn định dòng hàn. Ví dụ, dòng hàn tăng, điện áp điều khiển giảm mạch tạo xung điều khiển tăng góc mở tiristor, điện áp ra của bộ chỉnh lưu giảm, dòng điện hàn giảm để kéo về trị số đặt.


34

U®Æt

T1

T2

D1

220/380V,

50Hz

Ph¶n håi dßng ®iÖn

U®

kT3

D2

D3U®Æt

T1T2

D2D1

U1

Ph¶n håi dßng ®iÖn

U®k

H×nh 1.33. M¹ch ®iÒu khiÓn nguån hµn mét chiÒu; a) nguån

mét pha, b) nguån ba pha

a) b)

H×nh 1.33. M¹ch ®iÒu khiÓn nguån hµn mét chiÒu; a) nguån mét pha, b) nguån ba pha


Đặc trưng các kiểu chỉnh lưu máy hàn được chỉ ra trong bảng:


35

Hình 1.34: Đặc trưng các kiểu chỉnh lưu máy hàn


Hình 1.35: Các kiểu và đặc trưng điều khiển tín hiệu dòng hàn

III. Các sơ đồ động lực có thể đáp ứng. Trên cơ sở những đặc điểm của nguồn hàn và loại thiết bị hàn nêu

trên kết hợp với yêu cầu của đề bài là thiết kế phần điện cho máy hàn TIG với các thông số kỹ thuật sau:

Uh = 20V

Ih = 250A

U1 = 220V

S1 = 21, 2 kVAIdt = 20ATa thấy với loại máy hàn này có đặc tuyến dốc chúng sẽ cho phép

giữ dòng điện không đổi cho dù có thay đổi nhỏ về chiều dài hồ quang.


36

Hình 4.7: Các kiểu và đặc trưng điều khiển tín hiệu dòng hàn


Hình 1.36: Đường đặc tính dốc của hồ quang.

Hình 1.29 là đường đặc tính dốc của hồ quang nó cũng chính là đặc tính của máy hàn TIG hay máy hàn điện cực trơ vônfram có khí bảo vệ.

Với các nguồn hàn vừa nêu thì lựa chọn cho nguồn hàn của máy hàn TIG là nguồn chỉnh lưu cầu không điều khiển dùng diôt. Với điện áp đầu vào là 220V xoay chiều thì điện áp sau chỉnh lưu cầu sẽ là 220√2 với một tụ lọc 400V - 2200µF thì điện áp nguồn cấp vào máy hàn có thể lên tới 310V.

Với các loại thiết bị hàn vừa nêu thì máy hàn bán dẫn biến tần có ưu điểm hơn cả về mặt kỹ thuật lẫn kinh tế.

Máy hàn điện cực trơ trong môi trường khí bảo vệ hay máy hàn TIG có những đặc điểm sau : dòng xoay chiều với các tần số 50Hz hoặc 60Hz với phần chậm trễ của thành phần sóng âm làm cản trở sự cháy lặp lại của hồ quang ở bán chu kỳ tiếp theo. Biện pháp bổ trợ có thể cung cấp điện áp ion hoá với tần số cao nhưng thông thường dòng điện tức thời quá nhỏ. Ngày nay những vấn đề trên có thể được khắc phục bằng cách sử dụng một bộ chuyển đổi đầu ra nối với bộ chỉnh lưu nguồn một chiều. Bộ chuyển đổi đầu ra cung cấp một dạng sóng vuông xoay chiều cải thiện hiệu suất dòng xoay chiều làm tăng sự cháy lặp lại của hồ quang. Các sơ đồ động lực sử dụng công nghệ biến tần có thể đáp ứng với yêu cầu thiết kế là: mạch cầu toàn sóng, mạch cầu bán phần, mạch đẩy-kéo push-pull và mạch biến đổi thuận kết thúc kép.

Chúng được phân tích một cách chi tiết dưới đây:1. Mạch cầu toàn sóng.


37


Hình1.37: Sơ đồ động lực của mạch cầu toàn sóng.

Sơ đồ hình trên (hình 1.30) là sơ đồ động lực của mạch cầu toàn sóng.

Mỗi transitor trong hình trên tương đương với một hoặc nhiều transitor mắc song song. Mạch chứa hai nhánh Tr1 và Tr2 thuộc nhánh A còn Tr3 và Tr4 thuộc nhánh B. Các transitor được xếp thành từng đôi (Tr1 và Tr4) và (Tr2 và Tr3). Các transitor trong mỗi cặp tắt và mở đồng thời. Ngoài ra mỗi cặp có thể xem như một khoá đóng cắt khi một cái bật thì cái kia phải tắt và ngược lại. Sơ đồ động lực gồm nhiều diode mắc song song với transitor để bảo vệ chúng. Những diode này sẽ thông khi có dòng chảy ngược từ E về C khi đảo cực tính tải.

Để an toàn cho các transitor thì mỗi cặp khi mở phải cách nhau một khoảng thời gian ∆t. Chẳng hạn khi cặp Tr1, Tr4 đang dẫn thì cặp Tr2, Tr3 phải khoá. Cặp Tr2, Tr3 chỉ được phép thông sau khi cặp Tr1, Tr4 đã khoá một khoảng ∆t. Khoảng ∆t này được chọn ∆t = 0,1T với T là chu kỳ đóng cắt của các transitor. Nếu một cặp đang dẫn mà cặp kia mở thì sẽ xảy ra ngắn mạch. Nếu điều đó xảy ra thì rất nguy hiểm vì nó sẽ phá huỷ transitor và phá hỏng tải.

Giản đồ sóng của mạch cầu toàn sóng.


38


Từ giản đồ sóng của mạch biến đổi cầu toàn sóng như trên ta thấy rằng dạng xung điều khiển của từng cặp transitor phải giống nhau tuyệt đối. Khi có xung điều khiển kích mở Tr1 và Tr4 thì điện áp nguồn sẽ đặt lên tải lúc này sẽ có dòng điện chạy qua Tr1 qua tải sau đó qua Tr4 về trung tính nguồn. Lúc này sẽ có một điện áp ngược đặt lên cặp van đang bị khoá và cặp van này phải chịu được điện áp ngược ấy. Khi Tr1 và Tr4 được lệnh khoá thì Tr2 và Tr3 vẫn chưa được phép thông chúng sẽ thông sau khi Tr1 và Tr4 khóa một khoảng thời gian ∆t = 0,1T. Sau khoảng thời gian này Tr2 và Tr3 sẽ thông và sẽ có dòng điện chạy qua Tr3, qua tải rồi qua Tr2 về trung tính nguồn. Do điện áp trên tải đổi cực tính nên dạng sóng đầu ra là dạng sóng vuông xoay chiều. 2. Mạch cầu bán phần

Hình trên là sơ đồ nguyên lý của mạch cầu bán phần. Mỗi transitor được xem như một khoá đóng cắt và hoạt động theo phương thức một cái thông thì một cái kia phải khoá. Trong bán chu kỳ dương Tr1 thông thì Tr2 khoá. Ngược lại trong bán chu kỳ âm Tr2 thông còn Tr1 khoá. Với mạch này sự dẫn đồng thời của hai transitor cần phải tránh tuyệt đối. Tr1 và Tr2 không bao giờ được thông đồng thời nếu điều này xảy ra sẽ gây nên hiện tượng ngắn mạch qua hai transitor lúc này dòng không đi qua tải mà đi qua hai transitor với dòng lớn thì hai transsitor sẽ bị đánh thủng vì dòng. Do đó hai transitor phải khoá cách nhau một khoảng thời gian ∆t để đảm bảo rằng một van chắc chắn đã khoá trước khi van kia thông. Thời gian trễ này phụ thuộc vào thời gian bật, khoá các thiết bị. Thông thường chọn ∆t = 0,1T. Với T là chu kỳ của tần số chuyển mạch của van bán dẫn. D1 và D2 là các diode bảo vệ nó có nhiệm vụ bảo đảm rằng Vce luôn thấp hơn ngưỡng bảo vệ tại thời điểm đóng cắt. Các van phải có điện áp ngược đủ lớn để khi van


39

Hình 1.39: Sơ đồ động lực của mạch cầu bán phần.

TÇn sè chuyÓn m¹ch

Tr1 vµ Tr4 th«ng

§iÖn ¸p s¬ cÊp

Tr2 vµ Tr3 th«ng

Hình1.38: Giản đồ sóng của mạch cầu toàn sóng.

Tr2Tr1


này khoá thì van kia phải chịu được điện áp ngược mà không bị phá huỷ về áp.

Mạch hoạt động như sau : khi có lệnh mở từ mạch điều khiển đén Tr1 thì sẽ có dòng điện chạy qua Tr1, qua tải rồi trở về trung tính nguồn. Khi hết lệnh điều khiển thì không có dòng ngay lập tức mà phải sau một khoảng thời gian ∆t = 0,1 T lúc này mới có lệnh điều khiển từ mạch điều khiển gửi tới Tr2 sẽ thông lúc này mới có dòng chạy qua Tr2, qua tải rồi về trung tính nguồn.

Giản đồ sóng của mạch cầu bán phần như sau:

Hình 1.40: Giản đồ sóng của mạch cầu bán phần.

3. Mạch đẩy kéo push – pull.


40

Hình1.41: Mạch động lực của mạch đẩy kéo push – pull.


Tr2 th«ng

§iÖn ¸p s¬ cÊp

Tr1 th«ng


Tr2 th«ng

§iÖn ¸p s¬ cÊp

Tr1 th«ng


Hình 1.41 là sơ đồ mạch động lực của mạch đẩy kéo push – pull. Mạch hoạt động như sau : khi có xung điều khiển vào một transitor thì sẽ có dòng điện chạy từ dương nguồn qua biến áp qua transitor được mở về trung tính nguồn. Trong nửa chu kỳ tiếp theo thì transitor vừa mở sẽ bị khoá trong khi transitor còn lại sẽ thông và sẽ có dòng chạy qua nửa biến áp còn lại qua trung tính nguồn. Mạch hoạt động tương tự như hai mạch trên khi một transitor thông thì transitor còn lại phải khoá và để tránh hiện tượng trùng dẫn mỗi transitor chỉ thông trong 1 khoảng thời gian = 0, 4T.

Giản đồ sóng của mạch đẩy kéo push – pull.

Hình1.42: Giản đồ sóng của mạch đẩy kéo push – pull.

4. Mạch biến đổi thuận kết thúc kép. Mạch biến đổi thuận kết thúc kép là một mạch đối xứng có hai nửa đồng nhất, một nửa hoạt động theo bán kỳ của tín hiệu vào. Mạch biến đổi thuận kết thúc kép hoạt động theo nguyên lý băm áp một chiều. Mạch gồm hai transitor Q1 và Q2 được mắc nối tiếp với đỉnh và đáy của cuộn sơ cấp của biến áp lực. Dưới tín hiệu điều khiển cả hai sẽ cùng đóng hay cùng mở một lúc. Khi chúng mở có dòng chạy từ dương nguồn qua Q1, sơ cấp biến áp, Q2 và trở về âm nguồn, công suất được truyền đến tải. Khi Q1 và Q2 khóa năng lượng tích trữ trong cuộn dây làm phân cực nghịch tất cả các cuộn dây. Lúc này cực E của Q1 đạt điện thế âm, nhưng dược giữ điện thế đất bởi diode D2. Cực C của Q2 sẽ đạt điện thế dương và được giữ thế Vdc bởi diode D1. Vì vậy điện áp cực E của Q1 và cực C của Q2 không bao giờ cao hơn Vdc. Do đó xung điện cảm rò được ghim để điện áp chịu đựng lớn nhất trên một trong hai transitor không bao giờ cao hơn điện áp đầu vào DC cực đại phía sau tụ lục C.


41


Hình 1.43 : Sơ đồ động lực mạch biến đổi thuận kết thúc kép. Giản đồ sóng của mạch biến đổi thuận kết thúc kép :

Hình 1.44: Giản đồ sóng mạch biến đổi thuận kết thúc kép.

IV. Lựa chọn sơ đồ động lực. Trên đây là bốn loại sơ đồ đáp ứng được với máy hàn TIG sử dụng

công nghệ biến tần. Với bốn loại sơ đồ trên thì mạch cầu toàn sóng có ưu điểm hơn do cùng một loại transitor có cùng điện áp đỉnh và dòng danh định thì mạch cầu toàn sóng có thể cung cấp công suất ngõ ra gấp hai lần so với mạch cầu bán phần. Khi cùng công suất, cùng điện áp cung cấp thì dòng hiệu dụng của mạch cầu toàn sóng bằng một nửa so với mạch cầu bán phần với transistor hoạt động cùng điện áp và dòng danh định.

Mạch cầu bán phần có hai tụ C1 và C2 để tạo điểm trung tính nhưng cho dù chọn hai tụ có thông số giống nhau nhưng không thể tuyệt đối giống nhau nên dễ gây nên hiện tượng lệch từ thông hay hiện tượng từ thông không cân bằng khi điện áp đặt vào sơ cấp biến áp khác nhau trong các nửa chu kỳ tuần tự nhau.


42


Mạch đẩy kéo push – pull thì phải tạo trung tính cho máy biến áp hàn. Đây là vấn đề khó khăn khi chế tạo máy biến áp hàn.

Do đó mạch động lực có thể chọn là mạch cầu toàn sóng. Tuy nhiên Hầu hết các máy hàn Tig kiểu biến tần trên thực tế rất ít được chế tạo theo mạch cầu toàn phần mà việc khó kiểm soát được sự trùng dẫn giữa các van bán dẫn công suất có lẽ là lý do đáng kể nhất.

Trên thực tế quá trình thí nghiệm và tính toán chúng em đã tính toán thiết kế bộ nguồn hàn theo sơ đồ động lực mạch bán cầu (với mô hình kèm theo). Mặc dù công suất đầu ra chỉ bằng một nửa so với mạch cầu toàn sóng nhưng ưu điểm chủ yếu của mạch cầu bán phần là điện áp chịu đựng của van bán dẫn khi khóa là nhỏ, thích hợp cho việc chọn lựa van bán dẫn và có khả năng kiểm soát khả năng trùng dẫn giữa các van tốt hơn so với mạch toàn cầu.

CHƯƠNG IV THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC

I. Sơ đồ khối của mạch động lực


43


Hình 1.45: Sơ đồ khối của các mạch động lực.

Sơ đồ của mạch động lực cần tính toán thiết kế như sau :

Hình 1.46: Sơ đồ mạch động lực chi tiết.

Để tính toán được các thiết bị động lực cần tính được thông số dòng điện qua nó cũng như điện áp rơi trên nó. II. Tính toán thông số mạch động lực

Theo thông số bài ra khi hàn cường độ dòng điện I = 250 (A) trong khi điện áp khi hàn là U = 20(V). 1. Công suất phía thứ cấp máy biến áp hàn :


44


Ptc = Uh. Ih = 20. 250 = 5000 (W) = 5 (kW) (5.1)Với máy biến áp hàn chọn sơ bộ hiệu suất của máy biến áp hàn :

η = 0, 82. Công suất phía sơ cấp của máy biến áp hàn khi hàn :

Psc = = = 6, 25 (kW) (5.2)

Khi máy hàn mang tải có nghĩa là ngắn mạch phía thứ cấp của máy biến áp hàn lúc này điện áp hàn Uh = 20V trong khi đó giả sử nguồn công suất phía sơ cấp máy biến áp hàn là vô cùng lớn thì điện áp phía sơ cấp máy hàn vẫn giữ nguyên giá trị như lúc không tải. 3. Điện áp đầu ra bộ chỉnh lưu

Do nguồn công suất đầu vào máy hàn là nguồn công suất một pha. Sau chỉnh lưu cầu dạng sóng điện áp có dạng :

Sau tụ lọc với giá trị tụ lọc lớn thì sẽ tạo nên dòng điện một chiều tương đối bằng phẳng và giá trị điện áp này có thể tính xấp xỉ bằng giá trị cực đại của điện áp nguồn cấp.

Do đó điện áp sau chỉnh lưu qua tụ lọc có dung lượng lớn có thể tính theo công thức sau :


45

Hình 1.47: Dạng sóng điện áp sau chỉnh lưu đầu vào.

Hình 1.48: Dạng sóng điện áp sau tụ lọc.


Udc = 220 - 1 = 310 (V) (5.3)Do tụ không thể làm điện áp thẳng một chiều hoàn toàn, có sự nhấp

nhô không đáng kể nên lấy giá trị trung bình ở tâm sự nhấp nhô ấy. Uv = 310 - 2. ∆Udiode (5.4)

Trong đ ó ∆Udiode l à điện áp rơi trên mỗi diode khi thông chọn : ∆Udiode = 1V

Do đó : Udc = 310 - 2. 1 = 310– 2 = 308(V) (5. 5)4. Điện áp phía sơ cấp máy biến áp hàn :

Để đảm bảo an toàn cho các transitor công suất mỗi nhánh không thể mở trong 50%T được vì nếu mở như thế sẽ gây nên hiện tượng trùng dẫn của hai transitor Tr1 và Tr2. Nếu điều này xảy ra thì sẽ gây nên hiện tương ngắn mạch ở đầu vào máy biến áp hàn rất nguy hiểm nó dẫn đến sự cố là làm cho van bán dẫn bị phá huỷ về dòng. Do đó mỗi nhánh chỉ được phép mở ở 40%T. Mạch lực được chọn là mạch cầu bán phần với hai tụ phân áp C1 và C2. Điện áp sau tụ lọc ngõ ra chỉnh lưu được phân đều trên hai tụ phân áp này. Việc tính tụ phân áp là rất quan trọng đối với mạch cầu bán phần trong điều kiện làm việc dài hạn điện áp một chiều đặt lên hai van lực phải tương đối bằng nhau. Nếu giá trị này không đáp ứng được thì van động lực dễ bị đánh thủng trong quá trình làm việc dài hạn. Vì vậy điện áp phía sơ cấp máy biến áp khi qua mạch cấu toàn sóng được tính theo công thức sau :

Usc = . = 0, 4. Udc (5.6)Trong một chu kỳ chuyển mạch của các transitor mỗi nhánh chỉ

thông trong một khoảng thời gian là 0, 4T.


46


Hình1.49: Giản đồ sóng điện áp đầu ra phía thứ cấp máy biến áp hàn.Usc = 0, 4. 308 = 123, 2(V)

5. Dòng điện thứ cấp khi hàn. Dòng khi hàn bằng dòng làm việc qua van chỉnh lưu và chính Theo yêu cầu thiết kế điện áp và dòng hàn một chiều là : Uh = 20V, Ih = 250A. Với sơ đồ chỉnh lưu đã chọn là chỉnh lưu cầu ta có các thông số :

Hệ số điện áp so với áp xoay chiều Ku= 0, 9

Hệ số dòng điện hiệu dụng Khd=

là dòng thứ cấp máy biến áp hàn. Itc = Ih = 250A6. Điện áp thứ cấp khi hàn.

Utc = = = 22, 22(V)

6. Tỷ số biến điện áp khi hàn. Khi hàn máy biến áp hàn vận hành trong điều kiện ngắn mạch thứ

cấp. Điện áp phía thứ cấp máy biến áp hàn theo yêu cầu đề bài Utc = 20 VTỷ số biến điện áp khi hàn :

m = = 5, 55 (5. 7)

Đặt Usc = U1 và Utc = U2, Isc = I1 và Ih = Itc = I2.


47


7. Dòng điện làm việc của diode. Dòng làm việc của diode chỉnh lưư đầu ra được xác định theo dòng hiệu dụng, hay dòng điện tải Id.

Ilv = Khd. Ih (5. 8)

Với Khd = là hệ số dòng hiệu dụng của chỉnh lưu cầu đầu ra.

Thay vào biểu thức (4. 8) ta có Ilv = . 250 = 176, 77 ( A )

6. Dòng điện phía sơ cấp khi hànVới tỷ số biến như trên theo yêu cầu đề bài Ih = 250 A thì dòng điện

sơ cấp máy biến áp hàn được tính theo công thức :

I1 = (5.9)

Với m là tỷ số biến điện áp khi hàn được tính ở mục I. 5 chương III. Vậy dòng điện sơ cấp máy biến áp hàn :

I1 = (A).

Đây cũng chính là giá trị dòng điện phía mạch động lực của máy hàn được dùng để tính toán cho các linh kiện trong toàn bộ hệ thống mạch lực.III. Tính chọn các thiết bị mạch động lực1. Chọn chỉnh lưu cầu đầu vào

Theo thông số của đề bài điện áp nguồn cấp là nguồn điện xoay chiều một pha. Do đó chỉnh lưu cầu đầu vào chọn là chỉnh lưu cầu một pha không điều khiển gồm 4 diode như sau :

Theo mục I. 6 chương III dòng điện phía sơ cấp máy biến áp hàn I1 = 45,06A. Đây cũng chính là dòng điện từ phía nguồn cấp đến cuộn dây sơ


48

Hình 1.50: Sơ đồ chỉnh lưu cầu đầu vào.


cấp của máy biến áp hàn khi hàn. Do đó các diode của bộ chỉnh lưu đầu vào phải chịu được dòng điện I = 45,06 A và điện áp ngược là 308V.

Chọn hệ số dự trữ điện áp = 1, 5. Hệ số dự trữ về dòng điện = 1, 3Vậy điện áp ngược đặt lên diode lúc khoá là :

Un = 1, 5. 308 = 462 (V)Dòng điện qua diode lúc hàn là :

Idiode = Ih. 1, 3 = 45,06. 1, 3 = 58,578 (A). Với các thông số như trên chọn diode loại 1N2137R có các thông số

như sau : Dòng điện chỉnh lưu cực đại Imax = 60A Điện áp ngược của diode Un = 500V Đỉnh xung dòng điện Ipik = 700A Tổn hao điện áp ở trạng thái mở của diode ∆U = 1, 4V Dòng điện thử cực đại Ith = 60A Dòng điện rò ở nhiệt độ 250C Ir = 100µA Nhiệt độ cho phép Tcp = 175C

Chọn bốn diode DA, DB, DC, DD giống nhau và có thông số như trên. 2. Tính chọn tụ lọc

Hình 1.51: Sơ đồ chỉnh lưu đầu vào và tụ lọc.

Theo giáo trình điện tử công suất của tác giả Nguyễn Bính thì điện áp trên tụ là điện áp nhấp nhô. Nếu hằng số thời gian lớn tức là diode chỉ nạp điện trong khoảng thời gian ngắn so với T thì có thể biểu diễn Uc một cách gần đúng bằng đường răng cưa như hình dưới đây :


49


Khi đó có thể viết biểu thức sau : ∆Q = C. ∆U = IR. T (5.9)

∆U = (5.10)

Với R là điện trở sau tụ lọc

Vì : Ud = Um - (5.11)

Nên : ∆U = (5.12)

Tỷ số nhấp nhô :

(5. 13)

Biểu thức chung của tỷ số nhấp nhô :

Kc = (5. 14)

Trong đó mx là số xung của điện áp đầu vào bộ lọc trong một chu kỳ điện áp nguồn.

Với máy hàn TIG thì cần dòng điện gần như phẳng do đó ta chọn tỉ số nhấp nhô kc nhỏ để ∆U nhỏ sẽ giảm được tối đa độ nhấp nhô làm cho điện áp sau tụ lọc là một chiều gần như hoàn toàn. Chọn kc = 0, 001Do chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ nên số xung đầu vào tụ lọc mx= 2.

Từ biểu thức kc ở trên ta có phương trình


50

Hình 1.52: Dạng sóng điện áp sau tụ

lọc.


Đặt R. C. f = A ta có phương trình như sau :

0, 008A2 – 4A +1 = 0Giải phương trình trên ta nhận được hai nghiệm số như sau :

A = 0, 25A = 499

Với A = 0, 25 thay vào ta có : R. C. 50 = 0, 25R. C = 0, 005

Do khi hàn dòng điện qua chỉnh lưu đầu vào Ih = 20, 3A và điện áp sau tụ lọc có giá trị Udc = 308V nên có thể coi có một điện trở mắc song

song với tụ có giá trị R =

Dung lượng cần thiết của tụ để có tỷ số nhấp nhô kc = 0, 001 : C = = 0, 000735 (F) = 735 (µF).

3. Tính chọn tụ phân áp. Điện áp sau tụ lọc đã tính toán ở trên là điện áp một chiều khá bằng

phẳng. Nhiệm cụ của hai tụ phân áp là tạo ra hai điện áp bằng nhau( hoặc chênh lệch nhau không quá lớn ) đặt vào hai van bán dẫn ở các chu kỳ tuần tự.

Hình 1.53 : Sơ đồ tụ phân ápNếu điện áp trên chỗ nối hai tụ C1 và C2 không chính xác bằng nhau

và bằng nửa điện áp VDC thì điện áp đặt lên dây cuốn sơ cấp khi Tr1 mở sẽ khác với điện áp đặt trên cuộn sơ cấp khi Tr2 mở. Điều này làm cho tích số vôn – giây trên cuộn sơ cấp là khác nhau trong các nửa chu kỳ tuần tự dẫn


51


đến hiện tượng từ thông không cần bằng, làm cho lõi dịch chuyển vào vùng bão hòa với điện áp đặt lên sơ cấp là rất lớn, van bán dẫn có thể bị phá hủy về dòng hay áp.

Chọn C1 = C2 = 470Uf, điện áp 500V.4. Tính chọn van bán dẫn công suất. Ở đây ta chọn van bán dẫn công suất là transitor lưỡng cực cổng cách ly IGBT

Dòng qua các IGBT công suất là dòng điện khi mang tải hay khi hàn. Do đó việc chọn IGBT công suất phải dựa vào dòng điện này.

Với Ilvv = 45,06A chọn hệ số dự trữ về dòng điện là k I = 1,3 ta tính được IGBT động lực có dòng điện cần thiết để đáp ứng là :

I = kI. Ih = 1,3. 45,06 = 58,578 (A). Điện áp ngược mà Transistor phải chịu được lúc khoá là 308V. Tuy

nhiên cần phải có một hệ số dự trữ về điện áp ku = 1,4. Điện áp ngược mà IGBT cần có là :

Un = 1,4. 308 = 431,2 (V)Với I = 58,578A và điện áp ngược là Un = 431,2 V có thể chọn IGBT

công suất loại SGL60N90DG3 có các thông số như sau :

Hình 1.54: Một số thông số cơ bản của SGL60N90DG3.Thông số chính của IGBT động lực SGL60N90DG:

Dòng điện định mức ICmax= 60A, tại 250C Điện áp điều khiển bão hòa UGE = 10 – 15V Điện áp ngược cực đại lúc khoá Un = 900V


52


Dòng điện xung colector ICM = 120A Tổn hao điện áp lúc mở ∆U = 1,4V Nhiệt độ cho phép Tcp = 3000C

4. Tính máy biến áp hàn4. 1. Chọn lõi máy biến áp hàn

Hầu hết các lõi biến áp hoạt động ở tần số cao đều sử dụng lõi Ferit. Ferit là vật liệu sắt từ bằng gốm có cấu trúc kết tinh gồm hỗn hợp Oxit sắt với Oxit mangan hay Oxit kẽm. Bỏ qua tổn hao dòng xoáy tổn hao lõi chủ yếu nhỏ để cho phép sử dụng các vật liệu này đến tần số 1MHz.

Lõi Ferit được chế tạo từ bốn nhà sản xuất chính của Mỹ (Ferroxcube – Philips, Manetics Inc, Ceramic Manetics Inc, Ferit International, Fairite) và vài nhà sản xuất khác (TDK, Siemens, Thốmn, tokin).

Mỗi nhà sản xuất chế tạo hỗn hợp Oxit khác nhau để đạt những ưu điểm khác nhau. Vài vật liệu từ được làm để tạo ra tổn hao lõi nhỏ nhất ở tần số cao (>100 KHz) hay dịch chuyển điểm nhiệt độ đến 900C mà tổn hao nhỏ nhất đến 900C hay đạt tổn hao lõi nhỏ nhất ở sự kết hợp tần số cao và mật độ từ thônh đỉnh.

Hầu hết các lõi ferit được tạo ra cho biến áp có cùng vòng từ trễ. Chúng ở khoảng 3000 đến 3200 Gauss ở 1000C trong khoảng 10% của sự bão hoà hoàn toàn và có lực từ 0, 1 đến 0, 15 Oe ở 1000C và mật độ từ thông dư khoảng 900 – 1200 Gauss ở 1000C.

Biến áp hàn của mạch cầu toàn sóng hoạt động ở tần số cao f = 25kHz nên việc tính toán có khác so với máy biến áp thường hoạt động ở tần số 50 Hz.

Mạch từ được chọn sao cho giảm thiểu điện áp chịu đựng lớn nhất của transitor công suất khi tắt ở điện áp ngõ vào cao và dòng điện chịu đựng lớn nhất ở công suất ngõ ra cực đại.

Với tần số đã thiết kế ta tra bảng ứng với công suất ngõ ra phù hợp sẽ chọn được lõi biến áp thích hợp.

Với bảng thông số một số lõi Ferit được tiêu chuẩn hoá quốc tế tra ở bảng 7. 2 trang 276 sách “ Phân tích và thiết kế nguồn ổn định chuyển mạch” do kỹ sư Trương Trọng Tuấn và kĩ sư Đỗ Thanh Hải.

Ta có ứng với tần số f = 25kHz với công suất đầu ra máy biến áp hàn là :

P2 = Ih. Uh = 250. 20 = 5000 (W) = 5 (kW) (5. 15)Công suất đầu vào máy biến áp với hiệu suất η = 80% là :

P1 = (kW) (5. 16)

Với công suất P = 6, 25kW và tần số hoạt động f = 20 kHZ tra bảng ta chọn được lõi EE180 có các thông số kích thước như sau :


53


Hình dưới là kích thước 1/2 lõi

4. 2. Chọn mật độ từ thông đỉnh

Hình 1.56: Đường cong từ trễ của lõi ferit.Hình trên là đường cong từ trễ của vật liệu vô định hình ferit. Sau khi đã có tần số hoạt động và lõi Ferit cần chọn mật độ từ thông

đỉnh để tính số vòng cuộn sơ cấp và thứ cấp. Mối quan hệ giữa mật độ từ


54

Hình 1.55: Lõi Ferit của biến áp hàn.


thông và số vòng sơ cấp máy biến áp hàn được cho bởi định luật Faraday như sau :

NP = (5. 17)

Trong đó: E là điện áp có thể xem E = Vdc. dt là thời gian thông của các trasitor. Ae là diện tích lõi ferit dB là mật độ từ thông biến thiên

Với biểu thức trên thì sự dịch chuyển từ thông càng lớn thì số vòng dây sơ cấp càng nhỏ do đó tiết diện dây càng nhỏ và công suất ngõ ra càng lớn.

Với đường cong từ trễ của vật liệu vô định hình lõi Ferit ở trên thì mật độ từ thông cực đại là 4000 gauss. Nếu vượt quá sẽ rơi vào vùng bão hoà.

Có hai giới hạn đối với mật độ từ thông đỉnh dB trong lõi Ferit. Đó là tổn hao lõi và sự tăng nhiệt. Việc chọn lựa mật độ từ thông đỉnh dB có mối quan hệ mật thiết với tần số làm việc f cũng như các tổn hao, do đó quyết định kích thước hình học cũng như thể tích lõi Ferit. Một lõi ferit có kích thước nhỏ có thể chịu đựng được tấn số cao và mật độ từ thông đỉnh lớn tốt hơn so với một lõi có kích thước lớn hơn. Sở dĩ vậy là do tổn hao lõi tỷ lệ thuận với thể tích lõi, mặc dù độ thoát nhiệt tỷ lệ thuận với diện tích bề mặt của lõi, nhưng khi kích thước lõi tăng lên thì thể tích lõi tăng nhanh hơn so với diện tích tản nhiệt xung quanh lõi.

Tuy nhiên hầu hết các lõi ferit có tổn hao thấp ở tần số 25Khz và thấp hơn nên tổn hao lõi nói ở trên hoàn toàn không phải là vấn đề cần xem xét. Do đó ở những tần số thấp này mật độ từ thông đỉnh dB có thể dịch chuyển trong đường cong từ trễ BH. Nhưng cần chú ý rằng nếu lõi dịch chuyển vào vùng bão hòa thì rất nguy hiểm bởi khi này áp đặt vào sơ cấp cuộn dây là rất lớn cuộn dây có thể không chịu đựng được hay các transitor sẽ bị phá huỷ vì dòng và áp.

Từ biểu thức 5. 17 chương V có thể thấy rằng số vòng cuộn sơ cấp tỷ lệ nghịch với dB. Khi dB cực đại thì NP nhỏ nhất, với vài vòng dây có nghĩa là tiết diện dây lớn hơn, dẫn đến dòng cho phép cao hơn và với vài vòng dây làm cho giá thành biến áp thấp hơn và điện dung kí sinh cũng thấp hơn.

Khi mật độ từ thông đỉnh dB giảm, biểu thức 5.17 cho thấy khi đó số vòng sơ cấp tăng lên, do đó tiết diện dây dẫn nhỏ hơn. Với tiết diện dây nhỏ dòng thứ cấp và sơ cấp sẽ nhỏ hơn và công suất ngõ ra sẽ giảm.

Từ vòng từ trễ của hình 5.11 trong các lõi Ferit vòng từ trễ ở phần đường cong trên 2000 Gauss cần ở thấp dưới điểm này vì dòng từ hoá bắt


55


đầu tăng rất nhanh. Nếu không được giới hạn bởi tổn hao lõi việc chọn lựa tốt nhất nằm ở 2000.

Từ vòng từ trễ ở hình 5.1 cho thấy rằng nhiệt độ đạt trên 250C nó nằm sâu trong sự bão hoà và không thể chụi đựng được điện áp cung cấp. Transitor sẽ chịu đựng dòng cao và áp cao sẽ hư hỏng ngay.

Với tần số chuyển mạch f = 25Khz thì chọn mật độ từ thông đỉnh dB = 3200 Gauss thì sẽ không gây nên tổn hao lõi quá mức.

Gía trị dB trong định luật Faraday được tính gấp hai lần mật độ từ thông yêu cầu (1600 G dưới 50Khz hay nhỏ hơn ở tần số cao hơn). Sự dịch chuyển từ thông dB gấp hai lần giá trị đỉnh yêu cầu là vì lõi của mạch cầu bán phần hoạt động ở một phần tư đầu tiên và thứ ba của đường cong từ trễ.

Vậy với tần số chuyển mạch f = 25Khz và diện tích lõi Ae = 3, 5x3, 5 (cm2) chọn mật độ từ thông đỉnh dB = 3200Gauss. 4. 3. Tính số vòng dây cuộn sơ cấp.

Từ định luật Faraday :

NP = (5. 18)

Với dt là thời gian thông của IGBT. Với dt phải chọn là thời gian thông cực đại của các van bán dẫn. Để đảm bảo cho các van bán dẫn không bị trùng dẫn dt cực đại chọn là dt = 0, 4T. Với T là chu kỳ chuyển mạch.

E là điện áp tới cuộn sơ cấp máy biến áp hàn. Với công thức của

định luật Faraday như trên thì E có thể tính E – 1 (V) mặc dù ở phần

II. 4 chương III có tính điện áp sơ cấp máy biến áp hàn theo công thức về thời gian dẫn của các transtor tính được điện áp phía sơ cấp máy hàn U sc = 123, 2V nhưng vì công thức của định luật Faraday với dt = 0, 4T đã bao

hàm giá trị về thời gian dẫn ở trên. E – 1 (V). Sụt áp trên mỗi IGBT

công suất khi dẫn là 1V. dB là mật độ từ thông đỉnh đã chọn dB = 3200 Gauss. Ae (cm2) _ là diện tích lõi Ferit đã chọn ở trên, Ae = 3, 5. 3. 5(cm2).

Số vòng dây cuộn sơ cấp được tính :

Np = = =

= (vòng)

Chọn số vòng cuộn sơ cấp Np = 7(vòng). 4. 4. Tính số vòng cuộn thứ cấp

Số vòng cuộn dây thứ cấp được tính từ công thức :


56


(5.19)

Trong đó : V0 là điện áp lúc không tải của máy hàn : V0 = Vh + ∆Uck + ΔUba +ΔUcáp hàn

= 20 + 6, 25 + 2+ 1, 75 = 30VVới :

ΔUck là điện áp rơi trên cuộn kháng lọc ngõ ra.

ΔUba là sụt áp trên biến áp chọn sơ bộ ΔUba = 1V. ΔU cáp hàn do cáp hàn tương đối dài mang dòng

lớn chọn sơ bộ ΔUcáp hàn = 1, 75V. D là chu trình tải phía thứ cấp máy biến áp hàn.

Do máy hàn có thể làm viêc ở nhiều chu trình tải khác nhau nên dòng điện sẽ thay đổi theo tần số xung hàn. Ở đây chọn hai chế độ làm việc phổ biến của máy hàn TIG là 100% và 60% chu trình tải nên D = 0, 6.

Vrect sụt áp trên chỉnh lưu đầu ra chọn = 3V Vin là điện áp phía sơ cấp tính ở mục II. 4 (công

thức 5.6) chương V. Vin = Utc = 123, 2(V)

VDropTransitor là điện áp rơi trên van bán dẫn công suất :

VDropTransitor = 1. 1, 4 = 1, 4 (V)Vậy số vòng cuộn thứ cấp được tính :

= (vòng)

Chọn số vòng cuộn thứ cấp Ns = 4 vòng4. 5. Chọn mật độ dòng điện cuộn sơ cấp

Chọn mật độ dòng cuộn sơ cấp và thứ cấp có cùng mật độ dòng. Chọn mật độ dòng Dcma là mật độ dòng mil tròn/Ampe rms.

Mật độ dòng Dcma là:

(5. 20)

Trong đó : Atcm là diện tích dây sơ cấp (mil tròn)

Diện tích hình vuông (in2) = diện tích mil tròn.


57


Irms là cường độ dòng điện hiệu dụng của cuộn sơ cấp máy biến áp.

Chọn mật độ dòng điện Dcma = 500 mil tròn/Ampe rms. Việc chọn Dcma = 500 mil tròn/Ampe rms là bao gồm việc chọn chung

cho việc thiết kế biến áp. Với mật độ cao hơn (giá trị Dcma thấp hơn) sẽ dẫn đến tổn hao đồng nhiều hơn và mật độ thấp hơn sẽ làm tiết diện lõi tăng. Điều này là không cần thiết. 4. 6. Tính dòng sơ cấp

Giả thiết hiệu suất của biến áp là 80% từ ngõ vào sơ cấp đến tổng công suất ngõ ra. Do đó P0 = 0, 8Pin hay Pin = 1, 25P0.

Nhưng ở điện áp ngõ vào cực tiểu thì thời gian mở trong nửa chu kỳ là 0, 8/T và chu kỳ làm việc trong trong một chu kỳ là 0, 8. Bỏ qua sụt áp mở trên transitor công suất, công suất ngõ vào ở Vdc là :

Pin = . 0, 8. Ipft (5. 21)

Hay Ipft = (5. 22)

Với Ipft là dòng sơ cấp tương đương có đỉnh nhọn bị méo dạng.

4. 7. Chọn tiết dện dây sơ cấp. Dòng Ipft chảy qua ở chu kỳ làm việc là 0.8, do đó dòng hiệu dụng

của nó là: Irms = 0, 8. Ipft (5.23)

Từ biểu thức 4. 5 ta có :

Irms = . = (5.24)

Với Dcma = 500 mil tròn/Ampe rms số mil tròn yêu cầu là :

Số mil tròn cần = Dcma. Irms = Dcma.

Trong đó P0 = Ih. Uh = 250. 20 = 5000(W)Vdc = 306 V


58

Hình 1.57: Dạng sóng dòng điện trong cuộn dây biến áp hàn.


Số mil tròn cần = 500. 45, 60 = 22800(mil tròn)

Do diện tích hình vuông (in2) = diện tích mil tròn.

Giả sử quy đổi dây thứ cấp theo hình vuông và tính bằng in2 ta được :

Ssc = 22800. = 0, 0179 (in2)

Do đó có thể chọn dây dẫn tròn có đường kính dsc = (in)

Sỡ dĩ như vậy vì có thể tính xấp xỉ diện đường kính hình tròn = cạnh hình vuông*1, 24 nếu chúng có cùng diện tích.

Vậy tiết diện dây sơ cấp tính theo đơn vị mm được quy đổi về như sau :

1in = 25, 4 mmdsc = 0, 166. 25, 4 = 4, 2164 (mm)

Chọn dây dẫn tròn có đường kính d = 4,2 mm cho cuộn sơ cấp. Tiết diện dây: Ssc = 13,85 (mm2)

Dây có đường kính d = 4,2 mm có các thông số như sau : Tiết diện tính toán của lõi đồng : Scu = 13,847 mm2

Trọng lượng riêng một mét : mcu = 65 gam/m Điện trở một mét : R/m = 0, 0024 Ω/

4. 8. Chọn tiết diện dây thứ cấp. Đối với dòng sơ cấp, để đơn giản việc tính toán dòng hiệu dụng, các

xung răng cưa được xem xấp xỉ tương đương với sóng có đỉnh méo dạng Ispt mà biên độ của nó là dòng ở tâm sóng răng cưa hay dòng hàn ở chu kỳ làm việc 0, 4.

Dòng hiệu dụng chảy trong cuộn thứ cấp được tính xấp xỉ bằng dòng hàn khi hàn :

Irmstc = Ih

Số mil tròn cần = Dcma. Irmstc

Do chọn cùng mật độ cho cả cuộn sơ cấp và thứ cấp nên Dcma = 500 mil tròn/ampe rms.

Số mil tròn cần = 500. 250 = 125000 (mil tròn)Quy đổi dây thứ cấp theo hình vuông và tính bằng in2 ta được

Stc = 125000. = 0, 096 (in2)

Dây dẫn thứ cấp chọn dây chữ nhật có các kích thước : Chiều dày dây b = 0, 16 in. Chiều rộng dây a = 0, 6 in.

Vậy dây thứ cấp được tính theo đơn vị mm có các kích thước như sau :


59


Chiều hẹp dây a = 0, 16. 0, 254 = 4, 064 (mm)Chiều rộng dây b = 0, 6. 25, 4 = 15, 24 (mm)

Chọn dây dẫn có các thông số chuẩn hoá như sau : Chiều hẹp dây a = 5 mmChiều rộng dây b = 15, 6 mm

Tiết diện dây S = 74, 14 mm2

4. 9. Số vòng dây trên một lớp cuộn sơ cấp. Do mạch từ là mạch dạng EE nên chiều cao trụ = 2xh với điện cực

không nóng chảy là chiều cao một nửa trụ. Chiều cao trụ = 2. 40 = 80(mm). Đường kính dây sơ cấp dsc = 4,20 mm. Chọn hệ số kdq = 0, 95 ta tính được số vòng trên một lớp của trụ như sau :

Số vòng trên một lớp = chiều cao trụ*kdq/dsc

Số vòng trên một lớp = (vòng)Do số vòng trên cuộn sơ cấp chỉ có 7 vòng nên chỉ cần quấn 1 lớp.

4. 10. Số vòng trên một lớp cuộn thứ cấp. Số vòng trên một lớp = chiều cao trụ*kdq/a

Chọn hệ số dây quấn kdq = 0, 95 b là chiều rộng dây quấn thứ cấp a= 15,6 mm kể cả cách điện.

Số vòng trên một lớp = (vòng)

Do số vòng trên cuộn thứ cấp là 4 vòng nên chỉ cần quấn 1 lớp. Chọn cách điện giữa hai cuộn sơ cấp và thứ cấp là 17mm

4. 11. Điện trở dây quấn sơ cấp và thứ cấp. Chiều dài dây quấn sơ cấp Do phía sơ cấp có 7 vòng mỗi vòng tính bằng chu vi của trụ lõi ferit

ta có:Chiều dài mỗi vòng dây = 4. a = 4. 35 = 140 (mm) = 14 (cm) Chiều dài dây sơ cấp : lsc = 14. 7 = 98 (cm) = 0,98 (m)

Điện trở sơ cấp ở 750C được tính theo công thức :

Rsc75 = (5. 25)

Chiêù dài dây quấn thứ cấp do dây quấn thứ cấp quấn ngoài dây quấn sơ cấp nên chiều dài mỗi vòng dây của nó được tính theo :

Chiều dài mỗi vòng dây = a + dsc + 17 Trong đó : a là cạnh của trụ.

dsc là đường kính dây sơ cấp. 17 là chiều dày lớp cách điện giữa 2 cuộn sơ cấp

và thứ cấp. Chiều dài mỗi vòng dây = 4. (a + 2. (dsc + 17)) =

4. (35 + 2. (4,20 +17))= 309, 6 (mm)


60


Do dây quấn thứ cấp gồm 4 vòng nên tổmg chiều dài dây quấn thứ cấp là :

ltc = 4. 309,6 = 1238,4(mm) = 1, 24 (m)Điện trở dây quấn thứ cấp :

Rtc75 =

4. 12. Sụt áp trên dây quấn máy biến áp : ΔU = I1. Rsc + Ih. Rtc = 45,06. + 250. 2,87. = 0, 14 (V)

4. 13. Tổn hao đồng biến áp. Giả thiết rằng tổn hao đồng được tính bằng công thức (Irms)2. Rdc với

Rdc là điện trở một chiều của của các cuộn dây như đã tính ở phần 5. 11 và Irms là dòng điện hiệu dụng trong các cuộn dây.

Có hai hiệu ứng có thể gây ra tổn hao cuộn dây lớn hơn (I rms)2. Rdc đó là hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng gần khi máy biến áp hoạt động ở tần số cao.

Cả hai hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng gần phát sinh từ các dòng xoáy mà được tạo ra bởi từ trường khác nhau trong cuộn dây. Hiệu ứng bề mặt được gây bởi dòng xoáy mà được tạo ra bởi chính từ trường của dòng điện chạy qua dây đó. Ngược lại hiệu ứng gần lại được gây ra bởi dòng xoáy được tạo ra trong các dây dẫn bởi từ trường của các dòng điện chạy trong các dây dẫn khác.

Hiêu ứng bề mặt gây ra dòng điện trong một dây để chỉ chảy qua trong một bề mặt mỏng trên chu vi bề ngoài của dây. Độ sâu của bề mặt mỏng hay diện tích dẫn hình vành khăn tỉ lệ nghịch với căn bậc hai của tần số. Do đó khi tần số tăng điện trở xoay chiều AC tăng và tăng tổn hao đồng.

Hiệu ứng gần là hiệu ứng nguy hiểm hơn so với hiệu ứng bề mặt đặc biệt khi số lớp dây tăng lên. Hiệu ứng bề mặt chỉ làm giảm tiết diện dẫn của dòng điện trong các dây còn biên độ dòng điện không hề thay đổi. Trong khi đó hiệu ứng gần làm biên độ dòng điện tăng rất nhiều khi số lớp dây tăng lên đáng kể. Cả hai hiệu ứng làm điện trở AC tăng nhiếu so với điện trở DC ở các tần số lớn, do vậy làm tổn hao đồng tăng lên đáng kể. 4. 13. 1. Hiệu ứng bề mặt.

Chiều sâu bề mặt được định nghĩa như một khoảng dưới dưới bề mặt

mà mật độ dòng giảm xuống hay 37% giá trị của nó ở bề mặt. Quan hệ

giữa chiều sâu bề mặt và tần sốnhận được bởi nhiều nguồn và dây đồng ở 750C như sau :

S= (5. 26)

Với S là chiều sâu bề mặt tính bằng mil (1 mil = 2, 54. 10-2 mm) f là tần số Hz


61


Đối với một điện trở DC, điện trở AC Rac do hiệu ứng bề mặt và sự thay đổi điện trở ΔR là :

Rac = Rdc + ∆R = Rdc(1 + ) = Rdc. (1 + F) (5.27)

Hay

Từ quan hệ chiều sâu bề mặt theo biểu thức S= có thể tính cho

bất kỳ tiết điện dây và tần số. Vì điện trở tỉ lệ nghịch với tiết diện, đối với chiều sâu bề mặt S, bán kính dây r và đường kính dây điện cực không nóng chảy đối với dây sơ cấp là hình tròn nên bán kính trong là (r – s) do đó :

(5.28)

Với S = (mil)

S = 17, 9. 2, 54. 10-2 = 45, 466. 10-2 (mm)

Vậy

Do hiệu ứng bề mặt nên điện trở sơ cấp tăng 2,58 lần. Dây thứ cấp là dây chữ nhật nên với hiệu ứng bề mặt thì điện trở của

nó thay đổi như sau :

Với a là chiều hẹp dây. b là chiều rộng dây.

Do đó :


62


=

Do hiệu ứng bề mặt nên điện trở dây quấn thứ cấp tăng 4, 3 lần. 4. 13. 2. Hiệu ứng gần.

Hiệu ứng gần được tạo ra bởi từ trường thay đổi phát sinh từ dòng điện của các dây lân cận hay nguy hiểm hơn từ những dòng điện trong trong các lớp dây lân cận trong cuộn dây có nhiều lớp.

Nó nguy hiểm hơn hiệu ứng bề mặt vì tổn hao đồng tăng sau này chỉ giới hạn diện tích dẫn của dây trên bề mặt mỏng của nó, nhưng nó không thay đổi biên độ dòng điện chảy qua - chỉ mật độ dòng điện ở bề mặt dây dẫn. Ngược lại trong hiệu ứng gần, dòng xoáy được tạo ra bởi từ trường của dòng trong các lớp dây lân cận tăng rất nhanh về biên độ khi số lớp dây tăng.

Với dây quấn sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp chỉ có một lớp nên hiệu ứng gần chỉ làm điện trở dây sơ cấp và thứ cấp tăng gấp đôi.

Do vậy với hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng gần điện trở dây quấn sơ cấp tăng :

(lần)

Tổn hao đồng phía sơ cấp khi xét đến hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng gần : ΔP1 = Rac. (I1)2 = 4,58. Rdc. (I1)2 = 4,58. 0, 00154. (45,06)2 = 14,320 (W)

Điện trở thứ cấp khi xét đến hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng gần :

(lần)

Tổn hao đồng phía thứ cấp khi xét đến hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng gần :

ΔP2 = Rac. Ih = 6, 3. Rdc. (Ih)2= 6, 3. 2,57. (250)2 = 101,19 (W)Sụt áp trên biến áp khi xét tới hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng gần : ΔU = Racsc. I1 + Ractc. Ih =

4,58. 0, 00154. 45,06 + 6, 3. 0, 000257. 250 = 0,722 (V). 4. 14. Tổn hao lõi ferit.


63


Hình 1.58: Tổn hao lõi đối với mật độ từ thông.

Hình trên thể hiện tổn hao lõi ferit. Với tần số f = 25kHz và B = 3200 Gauss tổn hao lõi trên 1 cm3 là 200 mW.

Thể tích của lõi ferit : V = 11. 11. 3, 5 = 432, 5 (cm3)Tổn hao lõi : ΔPlõi = V. 200 = 423, 5. 200 = 84700 (mW) = 84, 7

(W). Như vậy tổn hao lõi Ferit tỷ lệ thuận với thể tích lõi.5. Chọn chỉnh lưu đầu ra. Xét trên lý thuyết có thể chọn Chỉnh lưu đầu ra là chỉnh lưu cầu một pha không điều khiển. Chọn chỉnh lưu cầu một pha gồm bốn diode mắc như hình dưới đây :


64


Hình 1.59: Sơ đồ chỉnh lưu cầu đầu ra máy hàn.

Các diode có dòng qua chúng là dòng hàn có giá trị Ih = 250A Chọn hệ số dự trữ về điện áp ku = 1, 4Điện áp ngược đặt lên diode khi chúng khoá là

Un = ku. Vtckt = 1, 4.30 = 42(V)Chọn hệ số dự trữ về dòng điện là ki = 1, 3. Dòng điện qua diode khi thông cần chọn

Idiode = ki. Ih = 1, 3. 250 = 325 (A)Với áp ngược và dòng như trên chọn loại diode công suất có kí hiệu

A309M có các thông số như sau : Dòng điện chỉnh lưu cực đại Imax = 400A Điện áp ngược của diode Un = 600V Đỉnh xung dòng điện Ipik = 7000A Tổn hao điện áp ở trạng thái mở của diode ∆U = 1, 4V Dòng điện thử cực đại Ith = 1200A Dòng điện rò ở nhiệt độ 250C Ir = 15mA Nhiệt độ cho phép Tcp = 1900C

Trên thực tế các loại máy hàn inverter tần số cao thường sử dụng các loại diode chỉnh lưu ra theo nguyên tắc mắc song song các van bán dẫn mà cụ thể ở đây là các diode đã được tích hợp các diode khác nhằm mục đích phân nhỏ dòng cho các diode chỉnh lưu, điều này cũng dễ dàng hơn cho việc chọn van.

Một điều cần chú ý rằng khi mắc song song các van bán dẫn, dòng chạy qua các van có thể phân bố không đều vì đặc tính vôn-ampe của các van là không hoàn toàn giống nhau. Do vậy cách thức thông thường nhất để dòng điện phân bố đều mà không cần các linh kiện phụ là sử dụng các diode cùng loại, có cùng đặc tính vôn – ampe cả khi không tải và khi có tải

Các sơ đồ mắc song song có thể chọn như sau :

Hình1.60: Các sơ đồ mắc song song van bán dẫn a-mắc song song trực tiếp ; b- mắc song song qua điện trở


65


c-mắc song song qua cuộn cảm ; d-mắc song song qua hỗ cảm

. Thông thường các chuỗi diode đó có dòng điện lệch nhau không quá 20%. Cần phải giữ các diode ở cùng một nhiệt độ, nhất là khi làm việc. Do đó để diode làm việc ổn định sẽ liên quan trực tiếp đến cách thức tiến hành làm mát hay tản nhiệt cho hệ thống van bán dẫn mắc song song cùng làm việc như trong trường hợp này. Việc sử dụng điện trở hay cuộn dây cân bằng được dùng trong các trường hợp không có được thông số giống nhau của các diode. Khi này kích thước thiết bị trở nên cồng kềnh hơn và phát sinh thêm các điều kiện phụ không có lợi. Cụ thể như khi sử dụng các cuộn kháng cân bằng L1, L2 để lấy lại sự phân bố đều cho dòng điện chúng ta có thể đạt được dòng phân bố khá đều nhau, tuy nhiên một nhược điểm là giải pháp đắt tiền và làm tăng kích thước của thiết bị. Khi sử dụng điện trở thì đơn giảm và kinh tế hơn nhưng lại gây tổn hao năng lượng dưới dạng nhiệt tỏa ra trên điện trở. 6. Thiết kế cuộn kháng lọc ngõ ra6. 1. Xác định điện cảm cuộn kháng lọc ngõ ra

Từ công thức : L = VL. (5. 30)

Do dạng sóng dòng điện có dạng răng cưa nên dI = 2. Imin với Imin là dòng cực tiểu ở phía sơ cấp máy biến áp hàn hay nó là biên độ dòng xoay chiều bậc 1.

Do đó : dI = 2. Imin = VL. (5.31)

Với V2 là điện áp ra phía thứ cấp của máy biến áp hàn khi hàn. Vh là điện áp của máy hàn khi hàn Vh = 20V.

Ton là thời gian thông của các transitor công suất. Do dạng sóng điện áp là dạng sóng vuông xoay chiều nên :

Vh = V2. (5. 32)

Do đó : Ton = (5. 33)

Nhưng do Ton được chọn để đảm bảo an toàn cho các transitor công

suất nên : Ton =

Do đó : Ton = hay V2 = 1, 25Vh


66


Và (5. 34)

Vậy L = (5. 35)

Do các transitor đóng cắt ở 0, 4T nên dòng cực tiểu có thể tính : Imin = Ih. = 250. 0, 623 = 158 (A)

Từ biểu thức 4. 35 chương IV.

L =

Thay các giá trị vào ta được

L = (H) = 0, 26 µH

6. 2. Điện trở cuộn kháng 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 = 2. . f. L = 2. 3, 14. 25000. 0, 26. 10-6 = 0, 041 (5.36)

6. 3. Điện áp xoay chiều rơi trên cuộn kháng lọc(5.37)

6. 4. Công suất cuộn kháng lọcP = ∆U. Imin = 6, 5. 158 = 1027 (W) (5.38)

6. 5. Chọn lõi cho cuộn kháng. Với công suất P = 1, 027 kW và tần số chuyển mạch của các van

bán dẫn là 25 kHz chọn lõi là lõi Ferit E55 có công suất là 1067, 5 W ở 25kHz.

Lõi E55 có tiết diện trụ là Ae = 3, 53 cm2 có các kích thước như sau :


67


6. 6. Số vòng cuộn kháng. Cách tính số vòng cuộn kháng tương tự như cách tính ở máy biến áp

hàn. Chọn mật độ từ thông đỉnh dB = 3200 Gauss. Từ định luật Faraday số vòng của cuộn kháng :

Nk = (4. 39)

Với dt là thời gian thông của transitor công suất. Với dt phải chọn là thời gian thông cực đại của các transitor. Để đảm bảo cho các transitor không bị trùng dẫn dt cực đại chọn là dt = 0, 4T. Với T là chu kỳ chuyển mạch.

E là điện áp rơi trên cuộn kháng E = ∆Uck = 6, 5 VSố vòng dây cuộn kháng được tính :

Nk= = (vòng)

Chọn số vòng của cuộn kháng Nk = 1( vòng) . 6. 7. Chọn kích thước dây dẫn cho cuộn kháng.

Chọn mật độ dòng trong cuộn kháng j = 2, 75 A/mm2.

Tiết diện dây cuộn kháng Sk = = 90 (mm2)

Chọn dây có tiết diện chữ nhật cách có kích thước axb = 5x18 (mmxmm)6.8. Điện trở cuộn kháng lọc.

Chiều dài cuộn dây = 1`*(4*a) với a là chiều dài một cạnh của lõi ferit


68

Hình 1.61: Các kích thước cơ bản của lõi EE55


= 1. (4. 18, 88) = 75,52 (mm) = 0,0752 m

Điện trở cuộn kháng Rk =

7. Tính toán cao áp Máy hàn TIG thông thường có hai chế độ hoạt động, đó là chế độ hàn que (STICK) và chế độ hàn TIG. Cao áp trong máy hàn TIG là một bộ phận quan trọng, nó gắn liền với chế độ hàn TIG, là bộ phận mồi điện áp theo nguyên tắc cộng điện áp để sinh ra hồ quang một cách nhanh chóng. Điện áp do phần cao áp tạo ra thường là dạng điện áp xoay chiều có tần số cao (hàng chục Khz) và điện áp cao(hàng KV). Toàn bộ hệ thống cao áp chỉ hoạt động trong quá trình mồi hồ quang ở chế độ hàn TIG, cao áp được ngắt ra ngay khi hồ quang đã được phát sinh trong mỗi một chu trình hàn. Đối với các máy hàn TIG kiểu chỉnh lưu với biến áp lực nhỏ và tần số hoạt động bằng tần số nguồn cung cấp cần có một bộ phận riêng biệt để tạo tần số và điện áp cao. Với máy hàn TIG mà nguồn hàn được chế tạo theo công nghệ INVERTER thì tần số và điện áp cao được tạo ra một cách rất đơn giản bằng cách lấy ra điện áp xoay chiều tần số cao ở ngay trên biến áp xung cả mạch lực. Do đó nó giảm đựoc kích thước và trọng lượng một cách đáng kể cùng với kích thước nhỏ của biến áp lực đã tính toán. Hình 7. 1 chỉ ra sơ đồ nguyên lý của hệ thống tạo cao áp trong máy hàn TIG kiểu INVERTER. Trong hệ thống này đầu ra của cao áp được đấu trực tiếp vào cực âm của đầu ra hàn. Cao áp được kích hoạt bằng tín hiệu lấy từ mạch điều khiển để đóng cắt RELAY, người ta thường thực hiện bằng nút bấm đặt ở ngay sát với tay cầm của mỏ hàn và do người công nhân hàn trực tiếp thao tác trong mỗi một chu trình hàn. Để tạo ra điện áp mồi cao tần người ta quấn trực tiếp sơ cấp của biến áp tạo áp cao tần một vài vòng dây (2-3 vòng) trên thân của biến áp xung mạch lực. Sơ cấp của biến áp xung tạo áp cao tần này tồn tại một điện áp khoảng 3KV xoay chiều với tần số bằng tần số điện áp thứ cấp của biến áp lực. Với điện áp cao tần này đủ để phát sinh hồ quang một cách rõ rệt trên khe hở (pake gap) đặt ngay đầu ra của thứ cấp biến áp xung cao tần. Biến áp xung cách ly có nhiệm vụ tạo cách ly cho mạch tạo cao áp với mạch lực. Thứ cấp biến áp này tạo ra một điện áp xoay chiều có tần số và điện áp cao đủ để mồi hồ quang trong quá trình hàn.


69


Hình 1.62: Sơ đồ nguyên lý mạch tạo cao áp

8. Tính chọn điện trở Shunt cho mạch phản hồi. Mạch phản hồi cho máy hàn nói chung và máy hàn Tig nói riêng là một khâu quan trọng. Trong chỉ tiêu đầu ra của máy hàn người ta thường yêu cầu chất lượng cao về dòng điện hàn cũng như độ ổn định của nó trong quá trình làm việc của máy. Chất lượng của mối hàn hầu như phụ thuộc nhiều vào độ ổn định của dòng hàn tại một chế độ hàn xác lập định trước. Tùy theo công nghệ hàn mà ở các máy hàn khác nhau có các phương thức ổn định dòng hàn khác nhau. Phương thức ổn định Điển hình của các loại máy hàn là sử dụng Shunt điện trở lấy tín hiệu điện áp về tỷ lệ thuận với dòng điện hàn đầu ra ở mỗi một dòng hàn đặt trước. Trong một số máy khác người ta sử dụng biến dòng BI đặt tại sơ cấp hay thứ cấp của biến áp lực để ổn định các giá trị điện áp tại các vị trí này, từ đó cho ổn định về dòng điện hàn đầu ra một cách tương đối. Đối với loại máy hàn đang thiết kế chúng em đã sử dụng loại Shunt điện trở lấy tín hiệu điện áp trên Shunt tỷ lệ thuận với dòng đầu ra, từ đó đưa về sử ý thông qua mạch điều khiển phàn hồi với các khâu lọc và khuyếch đại thông qua IC chuyên dụng LM324 để tạo ra một điện áp tuyến tính. Điện áp này được so sánh với điện áp đặt để điều khiển độ rộng xung hay thời gian dẫn của các van lực ở một giá trị không đổi ứng với dòng điện hàn mà người vận hành đặt trước. Máy hàn làm việc với dòng hàn tối đa là 250A, chọn loại Shunt điện trở 300A, 75mV. Khi này điện áp phản hồi tối đa lấy về trên Shunt là 75


70


mV. Tín hiệu điện áp này có thể bằng phẳng hay nhấp nhô do sự không ổn định của dòng điện hàn, việc sử lý tín hiệu này phụ thuộc vào các cách thức khác nhau trong khâu điều khiển phản hồi sẽ nói ở phần sau. Sơ đồ nguyên lý của khâu phản hồi dùng điện trở Shunt được biểu diễn như hình vẽ :

Hình 1.63: Sơ đồ nguyên lý khâuphản hồi sử dụng Shunt điện trở

CHƯƠNG VTÍNH TOÁN CÁC THIẾT BỊ BẢO VỆ

Các linh kiện điện tử công suất trong quá trình làm việc cần được bảo vệ khỏi các hiện tượng quá nhiệt, quá điện áp, quá dòng điện, quá tốc độ tăng dòng và áp. Phần lớn các linh kiện bán dẫn bắt buộc phải có các cuộn dây và tụ điện thông số lớn tuy nhiên cũng có các linh kiện chỉ đóng vai trò bảo vệ và nhiệm vụ của chúng cũng hết sức quan trọng. Các linh kiện điện tử dùng để bảo vệ có thể tính bằng công thức thông qua các điều kiện ràng buộc. Tuy nhiên trong thực tế người ta thường sử dụng các trị số kinh nghịm dựa trên các kiểm định thực tế. Đối với phần động lực của máy hàn thiết kế cần tính toán bảo vệ các điều kiện cho các bộ linh kiện bán dẫn là bộ chỉnh lưu đầu vào, bộ chỉnh lưu đầu ra và bộ transitor động lực. 1. Bảo vệ quá nhiệt a. Bảo vệ quá nhiệt cho chỉnh lưu đầu vào. Khi làm việc với dòng điện lớn trên các van có dòng điện chạy qua. Mặt khác không có van bán dẫn nào có sụt áp bằng 0, do đó có tổn hao công suất Δp, tổn hao này sinh ra nhiệt đốt nóng các diode. Mặt khác diode bán dẫn chỉ được phép làm việc dưới nhiệt độ cho phép Tcp nào đó. Nếu quá nhiệt độ cho phép thì các diode bán dẫn sẽ bị phá hỏng. Để các diode


71


của chỉnh lưu đầu vào làm việc an toàn không bị chọc thủng về nhiệt ta phải chọn và thiết kế hệ thống tản nhiệt hợp lý.

* Tính toán cánh tản nhiệt cho chỉnh lưu đầu vào. Tổn thất công suất trên 1 diode : Δp = ΔU. I1

Trong đó : ΔU là sút áp trên mỗi diode. I1 là cường độ dòng điện phía sơ cấp. ∆p = ΔU. I1 = 1, 4 .45,06 = 63,084(w)

Diện tích bề mặt toả nhiệt : (5. 1)

Trong đó : Δp là tổn hao công suất. τ độ chênh nhiệt so với môi trường.

Chọn nhiệt độ môi trường Tmt = 300C. Nhiệt độ làm việc cho các diode Tcp = 1250C. Chọn nhiệt độ trên cánh toả nhiệt Tlv = 800C.

τ = Tlv – Tmt = 500C. Km Hệ số toả nhiệt bằng đối lưu và bức xạ có quạt làm mát cưỡng

bức. Chọn Km = 10 [w/m2. 0C].

= (m2)

b. Bảo vệ chỉnh nhiệt cho chỉnh lưu đầu ra. Tính tương tự như trên.

∆p = ∆U. Ih = 1, 4. 250 = 350(w)

(m2)

Chọn phương án hai bộ chỉnh lưu cùng gắn trên một cánh tản nhiệt có diện tích 1 m2.

Chọn bộ tản nhiệt có 20 cánh mỗi cánh có chiều dài 25cm cao 20cm Diện tích của bộ tản nhiệt S = 20. 25. 20 = 10000 (cm2) = 1 m2


72

Hình 1.64: Hình dáng và kích thước cánh tản nhiệt cho chỉnh lưu đầu vào và chỉnh lưu đầu ra.


2. Bảo vệ quá nhiệt cho IGBT Dòng chảy qua IGBT chính là dòng sơ cấp biến áp hàn Isc = 45,06A.

Tổn thất công suất trên một transitor công suất : Δp = ΔU. Ih = 1, 4. 45,06 = 63,084 (W)

Tính tương tự như trên.

= (m2)

Để đảm bảo tính thẩm mỹ cũng như cách bố trí các linh kiện trong máy hàn, hai van bán dẫn này được đặt trên cùng một cánh tản nhiệt, chúng thường được bố trí song song với cánh tản nhiệt cho chỉnh lưu đầu vào và đầu ra như tính toán ở trên. Chọn bộ tản nhiệt có 20 cánh mỗi cánh có chiều cao 15cm và chiều dài

25cm như hình vẽ sau :

3. Bảo vệ quá dòng điện cho van bán dẫn. Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động ngắt mạch khi

ngắn mạch sơ cấp máy biến áp hàn, xảy ra hiện tượng trùng dẫn ở mạch cầu toàn phần.

Chọn aptomat có : Idm = 1, 1. I1 = 1, 1. 45,06 = 49,566 = 50 (A). Udm = 220 (V).

Có thể đóng cắt bằng tay hoặc tự động bằng nam châm điện. Chỉnh định dòng điện ngắn mạch, chọn knm =1,3:


73

Hình 1.65: Hình dáng và kích thước cánh tản nhiệt cho transitor công suất


Inm = 1, 3. I1 = 1, 3. 45,06 = 58,578 (A). Chọn cầu chì Tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch khi xảy ra hện

tượng trùng dẫn. Icc = 1, 1. I1 = 1, 1. 45,06 = 49,566 (A) = 50 (A).

Chọn cầu chì loại 50A. 4. Bảo vệ xung điện áp từ lưới và các xung điện áp trong quá trình hàn.

Để bảo vệ xung điện áp từ lưới và các xung điện áp có thể xuất hiện trong quá trình hàn(nhất là quá trình mồi cao áp và quá trình quyệt hai cực hà trong chế độ hàn que) ta mắc thêm mạch R – C , thường gọi là BỘ LỌC CAO TẦN như hình dưới. Nhờ có mạch lọc này mà đỉnh xung gần như nằm lại hoàn toàn trên điện trở đường dây.

Hình 1.66: Mạch RC bảo vệ xung điện áp từ lưới và xung điện áp khi hàn

Theo kinh nghiệm chọn R = 12. 5(Ω) và C2 = 4uF

5. Bảo vệ quá điện áp do chuyển mạch van bán dẫn. Qúa trình đóng cắt hai van lực IGBT với tần số cao có thể gây qua áp cho van. Người ta bảo vệ nó bằng mạch lọc cao tần RC mắc song song với bản thân van bán dẫn này. Khi có sự chuyển mạch, các điện tích tích tụ trong các lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo ra dòng điện ngược trong khoảng thời gian rất ngắn. Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược gây nên sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm do đó gây nên hiện tượng qua áp cục bộ cho các van bán dẫn. Khi có mạch lọc RC mác song song với van sẽ tạo ra một mạch vòng khép kín để phóng điện tích trong quá trình chuyển mạch nên IGBT không bị quá điện áp. Lượng điện tích này không đủ lớn để gây quá áp trên đường dây nhưng đủ để gây quá áp cho các tải lân cận. Mỗi một van bán dẫn cần được bố trí riêng một mạch lọc cao tần RC bằng cách mắc song song trực tiếp với các van để loại trừ xung điện áp cao tần do chính bản thân sự chuyển mạch của chúng gây nên.


74


Hình 1.67: Bảo vệ xung điện áp dochuyển mạch van bán dẫn sử dụng bộ lọc cao tần RC.

Chọn theo kinh nghiệm: R = 5. 1 (Ω) và C = 0. 25µF.


75


PHẦN 2Tính toán và thiết kế mạch điều khiển

Mạch điều khiển là khâu quan trọng trong máy hàn TIG, nó quyết định đến độ ổn định và tính năng hoạt động của máy. Ngoài ra phương pháp điều khiển cũng quết định đến chất lượng, giá thành, kích thước, trọng lượng của máy hàn. Với phương án chọn điều khiển bằng tần số cao sẽ giảm nhỏ kích thước, trọng lượng máy hàn đi rất nhiều do giảm được kích thước và trọng lượng máy biến áp hàn.I.Tính toán mạch điều khiển.1. Nguyên lí điều khiển

Nhiệm vụ mạch điều khiển đưa ra các thời điểm đóng mở các van IGBT hợp lý, nhằm duy trì dòng hàn ở một giá trị đặt.

Trong mạch động lực dạng sóng điện áp của thứ cấp biến áp như sau:

Hình 2.1: Dạng sóng điện áp thứ cấpTrong đó:

Td là thời gian dẫn của van Tck chu kỳ chuyển mạch U2 là điện áp thứ cấp

Dạng sóng điện áp sau chỉnh lưu :

Hình 2.2: Dạng sóng điện áp sau chỉnh lưu

Điện áp cung cấp cho cực hàn là:


76


Uhàn = (2.1)

= Td/ TckMuốn ổn định dòng hàn ta thay đổi điện áp hàn theo tín hiệu dòng

hàn đưa về . Theo phương trình trên để thay đổi điện áp hàn ta thay đổi tức thay đổi Td hoặc Tck, thường giữ cố định Tck và thay đổi khoảng dẫn của van ( thay đổi Td). Vì vậy để ổn định dòng hàn ở các giá trị khác nhau mạch điều khiển có khả năng thay đổi độ rộng xung với tần số chuyển mạch cố định. Trong mạch điều khiển có khâu tạo xung với nhiệm vụ tạo ra tần số cố định và có khả năng thay đổi độ rộng xung ,ngoài ra có phần lấy tín hiệu dòng và truyền tín hiệu tới bộ tạo xung nhằm thay đổi độ rộng xung.

Khi dòng hàn lớn hơn giá trị đặt mạch điều khiển phải giảm điện áp hàn tức giảm Td. Ta sẽ có phương trình.

Uđk = Uđặt- Uph (2.2)Trong phương trình trên

Uđk là tín hiệu thay đổi đô rộng xung. Uđặt là tín hiệu duy trì dòng hàn ở giá trị xác định. Uph là tín hiệu dòng hàn.

Khối tạo xung đưa ra thời điểm đóng mở van , để đóng mở van đúng thời điểm trong mạch điều khiển có mạch khếch đại tác dụng truyền tín hiệu mở van và tạo ra dạng xung phù hợp để mở van.2. Sơ đồ khối mạch điều khiển.

Hình 2.3: Sơ đồ khối mạch điều khiển tổng quát

Ngoài những phần cơ bản trên mạch điều khiển còn có thêm phần: điều khiển phản hồi, điều khiển cao áp , và khối tạo nguồn nuôi.

Trong mạch điều khiển quan trọng nhất là khối tạo xung. Nhiệm vụ khối tạo xung tạo ra hai xung có dạng chữ nhật tần số cố định và độ rộng


77


xung có thể thay đổi. Theo yêu cầu mạch lực là mạch điều khiển bán cầu, tại mỗi thời điểm chỉ có một van dẫn do đó dạng xung tạo trên hai kênh lệch pha nhau .

Hình2.4: Dạng xung tạo ra trên hai kênh điều khiển.

Độ rộng xung kênh A bằng độ rộng xung kênh B, đảm bảo 2 van có thời gian dẫn bằng nhau.

Khối điện áp đặt có tác dụng đưa ra mức điện áp thay đổi độ rộng xung, tương ứng thay đổi dòng hàn. Giả sử cần hàn ở dòng 250A ta đặt Uđặt=5V khi hàn dòng nhỏ ta giảm điện áp đặt.

Khối phản hồi có tác dụng lấy tín hiệu dòng qua điện trở Shunt dưới dạng điện áp , sau đó khếch đại . Do điện áp đưa về tối đa 75mv tương ứng dòng hàn 300A ,với điện áp như vậy rất nhỏ có thể điều khiển nên phải khuếch đại trước khi phối hợp với điện áp đặt.

Khối khếch đại có nhiệm vụ tạo ra dạng xung phù hợp để mở van IGBT . Dạng xung phù hợp là xung có độ rộng bằng khoảng dẫn của van có biên độ đủ để mở IGBT ở mức điện áp 12V-15V, ngoài ra sườn trước của xung phải thẳng. Khối khếch đại còn cách ly giữa mạch điều khiển và mạch lực.3. Khối tạo xung.3.1. Các phương pháp tạo dạng xung điều khiển3.1.1. Sử dụng vi xử lý : một số dòng vi xử lý có khối điều chế độ rộng xung như AVR , PIC ... một số họ khác sử dụng tín hiệu ngắt thay đổi độ rộng xung.

Về ưu điểm sử dụng vi xử lý có thể thay đổi tần số xung ra bằng phần mềm một cách đơn giản và có thể thay đổi độ rộng xung bằng tín hiệu phản hồi về qua bộ ADC. Nhưng vi xử lý làm việc kém ổn định với nhiễu bên ngoài do đó cần biện pháp chống nhiễu. Đối với loại máy hàn TIG trong mạch có phần cao áp tần số hoạt động hàng trục KHz rất dễ gây nhiễu cho vi xử lý.3.1.2. Sử dụng khếch đại thuật toán opam phối hợp R ,C tạo mạch tạo tần số có tần số theo người thiết kế, máy hàn làm việc ở 25KHz mạch tạo ra tần số 50Khz sơ đồ khâu này như sau:


78


Hoạt động của khâu này như sau:Đầu vào V+ có hai tín hiệu, một tín hiệu không đổi lấy từ đầu ra của

A1, một tín hiệu biến thiên lấy từ đầu ra của A2. Điện áp chuẩn so sánh để quyết định đổi dấu điện áp ra của A1 là trung tính vào V-. Giả sử đầu ra của A1 dương UA1 > 0, khuếch đại A2 tích phân đảo dấu cho điện áp có sườn đi xuống của điện áp tựa. Điện áp vào V+ lấy từ R1 và R2, hai điện áp này trái dấu nhau. Điện áp vào qua R2 biến thiên theo đường nạp tụ, còn điện áp vào qua R1 không đổi, tới khi nào UV+ = 0 đầu ra của A1 đổi dấu thành âm. Chu kì điện áp ra của A1 cứ luân phiên đổi dấu như vậy cho ta điện áp ra sóng vuông đầu A1 và tam giác cân đầu A2 .

Hình 2.6: Dạng sóng điện áp tam giácSóng điện áp dạng tam giác cân đầu ra A2 được so sánh với điện áp

điều khiển , tại thời điểm điện áp tựa bằng điện áp điều khiển phát lệnh mở van hoặc khoá van. Tại sườn lên của xung phát lệnh mở van thì tại sườn xưống phát lệnh khoá van. Dạng điện áp sau khi qua khối so sánh được đưa vào khâu đếm xung , nhằm tạo ra hai xung điều khiển cho hai cặp van với độ rộng xung như nhau và lệch pha nhau . Với cách tạo xung như trên


R1

R2

A1

R3

R4

R5VR1

C1

A2

79

Hình2. 5: Cách tạo xung cao tần sử dụng OPAM phối hợp RC


xung ra khá ổn định, nhưng việc hiệu chỉnh các sai số do linh kiện khá phức tạp.3.1.3.Sử dụng IC chuyên dụng:

Hiện nay có nhiều hãng chế tạo IC chuyên dụng với mục đích điều chế độ rộng xung( PWM ) . Các IC làm việc ổn định với tần số hàng chục KHz có thể đưa ra một kênh xung dùng băm áp, hoặc hai kênh xung dùng lái cầu H hoặc mạch bán cầu tuỳ loại IC sử dụng. Một số IC thường được sử dụng được kể tên: TL494, SG1526, SG3525, SG3526…

**Tạo xung bằng IC chuyên dụng SG3526Trong mạch điều khiển để tạo ra hai kênh xung có thể điều biến độ

rộng như mong muốn chúnh ta có thể sử dụng IC SG3526, linh kiện này dễ sử dụng và làm việc khá ổn định trong môi trường công nghiệp. Tất cả những khâu chức năng được tích hợp sẵn. Và đầu ra cho hai kênh xung lệch pha nhau 180 độ. + Mô tả IC SG3526:

Hình2.7: Sơ đồ chân IC chuyên dụng SG3526


80


Hình 2.8: Sơ đồ các khối chức năng bên trong IC SG3526

** Một số sơ đồ ghép nối vào ra của IC SG3526 được chỉ ra dưới đây:

Hình2.9 : Sơ đồ mạch điều khiển bán cầu lái bằng biến áp xung


81


Hình 2.10: Mạch biến đổi Hình 2.11: Mạch kết thúc Flyback giới hạn dòng điện. đơn dùng SG3526

Hình 2.12.Mạch lái push-pull Hình 2.13: ứng dụng điều khiển

sử dụng SG3526 MOSFET tần số cao

IC gồm 18 được mô tả như trên hình 2.7. Hai chân đưa xung ra là chân 13 và chân 16. Dạng xung đầu ra như sau:

Hình 2.14 :Dạng xung đầu ra IC SG3526


82


Mức điện áp ra phụ thuộc vào mức điện áp đặt vào chân 14. Để tạo tần số mong muốn phải mắc điện trở RT vào chân 9, tụ CT vào chân 10.

Để thay đổi độ rộng xung ta cấp một điện áp vào chân 3, hoặc đưa điện áp vào chân +Error( chân 1) và điện áp khác vào chân –Error( chân 2).

Mức điện áp thay đổi độ rộng xung là:VCOMPENSATION = 0.4V độ rộng xung 0% (2.3)VCOMPENSATION = 3.6V độ rộng xung 50%Với điện áp VCOMPENSATION là điện áp ở chân 3. Vì vậy để có độ rộng

xung mong muốn ta phải tính toán điện áp đặt vào chân 1 và chân 2. Hai chân 1 và chân 2 sử dụng lấy tín hiệu điện áp đặt và tín hiệu

điện áp phản hồi. Chân 11 là chân RDEADTIME khi không có tín hiệu vào chân này độ rộng xung ra phụ thuộc vào điện áp chân 3. Nhưng khi điều khiển mạch cầu độ rộng xung lớn có thể dẫn đến trùng dẫn, vì vậy đảm bảo tránh trùng dẫn ta có thể đưa tín hiệu vào chân 11 khi đó xung ra ở mức thấp.

Chân 5 là chân Reset khi có tín hiệu điện áp thấp vào chân 5 xung ra được dập về 0v. Trong máy hàn ta có thể sử dụng chức năng này bảo vệ quá nhiệt cho biến áp tần số cao, khi biến áp quá nhiệt ta sử dụng cảm biến nhiệt đưa tín hiệu điện áp thấp vào chân 5 xung ra được dập tắt, toàn bộ hệ thống ngừng hoạt động, đảm bảo an toàn cho máy và các thiết bị khác.

Ngoài chức năng điều chế độ rộng xung SG3526 có thể sử dụng như mạch ổn áp do chân 18 tạo ra điện áp chuẩn 5V. Nguồn cấp cho IC cấp vào chân 17 và chân 15, với chân 15 là chân đất và chân 17 là chân nguồn.

* Một số tham số chính của IC SG3526 Tần số làm việc 1Hz- 400 KHz Điện áp nguồn cấp 8V- 35V

(VCC). Điện áp cấp cho collector 4.5V-35V (VC). Dòng cấp cho đầu ra max 100mA. Dòng cấp cho tải nếu sử dụng nguồn điện áp chuẩn 5V( chân

18) tối đa là 20mA. Điện trở tạo dao động 2K-150K. Tụ điện tạo dao động 0.001 -20 . Độ rộng xung 3%-50%.

4. Khối phản hồi4.1. Nguyên tắc phản hồi.

Giả sử điện áp điều khiển độ rộng xung được ký hiệu Uđk.Ký hiệu D là độ rộng xung: 0% < D < 50%.Để tránh trùng dẫn độ dẫn tối đa của van là 40% do đó Dmax= 40%.Khâu phản hồi có sơ đồ khối như sau:


83


Hình 2.14: Sơ đồ khối khâu phản hồiTa có Uđk= Uđặt- K1.Uph. (2.4)

Khâu phản hồi có nhiệm vụ giữ cho dòng điện có giá trị không đổi bằng giá trị đặt bằng 250A. Tương ứng giữ cho độ rộng xung không đổi bằng 40%. Khâu phản hồi lấy tín hiệu dòng dưới dạng điện áp thông qua điện trở shunt sau đó khuyếch đại , ngoài ra hạn chế độ rộng xung không vượt qua giới hạn 40% . Vì vậy trong mạch phản hồi có thêm khâu bão hoà. Khâu này có tác dụng khi điện áp vào tăng điện áp ra tăng tuyến tính nhưng tăng tới giới hạn nhất định đầu ra không tăng được nữa và rơi vào vùng bão hoà.

Trong công thức (1.6) ở trên giả sử dòng điện hàn tăng khi đó K1.Uph tăng dẫn đến Uđk giảm độ rộng xung giảm vì quan hệ giữa D và Uđk là: D = K2 .(Uđk - 0.3) (2.5)

Khi D giảm Utải giảm và dòng ra sẽ giảm về giá trị đặt.Ngược lại nếu I giảm Uđk sẽ tăng và D tăng, điện áp tải tăng và

dòng hàn sẽ tăng về giá trị dòng hàn đặt ban đầu.Tại thời điểm ban đầu khi chưa có tín hiệu phản hồi về, khi đó

Uđk = Uđkmax = Uđặt điện áp ra có giá trị lớn nhất vì vậy dễ tạo hồ quang, nhưng nếu không có mạch bão hoà D > 40% rất nguy hiểm cho van lực vì dễ xảy ra hiện tượng trùng dẫn giữa hai van IGBT công suất.4.2.Khâu khuếch đại tín hiệu phản hồi.

Hình 2.15Khâu khuếch đại tín hiệu phản hồi từ điện trở shunt dùng KĐTT


84


Tín hiệu phản hồi (thường ở dạng điện áp) sau khi tách ra thường được sử lý và khuyếch đại để đưa vào so sánh với tín hiệu điện áp đặt để tạo ra các xung điều khiển thích hợp. Người ta thường sử dụng các bộ khuyếch đại thuật toán( KĐTT) để khuyếch đại tín hiệu phản hồi nhằm tạo ra một giá trị điện áp tuyến tính đủ lớn để so sánh với tín hiệu điện áp đặt trước.

Trước khi tín hiệu được đưa qua KĐTT, nó thường được hiệu chỉnh thành tín hiệu chuẩn và tuyến tính để đảm bảo phản ánh có sai số ít nhất với tín hiệu cần ổn định ở đầu ra của yêu cầu công nghệ mà ở đây chúng ta đang xét là dòng điện hàn.4.3. Phân loại phản hồi trong máy hàn.

Trong các loại máy hàn người ta thường sử dụng hai phương pháp phản hồi điển hình:

Sử dụng biến dòng BI, lấy tín hiệu điện áp ra tỷ lệ với dòng điện hàn và thực hiện hồi tiếp âm tín hiệu này. Ở các loại máy này biến dòng BI được mắc ở sơ cấp hoặc thứ cấp của máy biến áp hàn. Tín hiệu điện áp phản hồi được khuyếch đại và đưa vào so sánh với điện áp đặt để tạo ra tín hiệu điều khiển đóng cắt các van động lực. Phương pháp này dễ dàng cho tín hiệu áp phản hồi. Tuy nhiên phương pháp này có nhiều hạn chế do nó không phản ánh được tín hiệu dòng hàn một cách trực tiếp. Do đó có sai số về độ ổn định dòng điện đầu ra.

Ở các yêu cầu cao về chất lượng điện ở đầu ra hàn người ta thường phản hồi bằng điện Shunt điện trở, mắc trực tiếp tại đầu ra hàn. Phương pháp này cho độ ổn định của dòng hàn rất cao vì nó phản ánh đúng nhất sự biến đổi của dòng điện hàn tại đầu ra. Tuy nhiên cách tính toán cho khâu phản hồi là khá phức tạp, do dòng đầu ra không hẳn là dòng một chiều.

5. Khâu khuếch đạiNhiệm vụ của khâu này là tạo ra xung điều khiển đủ lớn cả về biên

độ và thời gian để van mở và đóng đúng thời điểm, ngoài ra khâu này còn phải cách ly giữa mạch động lực và điều khiển .

Với loại van lực sử dụng là van IGBT đối với loại van này có những yêu cầu riêng về tín hiệu điều khiển .

IGBT là phần tử điều khiển bằng điện áp nên yêu cầu điện áp có mặt liên tục trên cực điều khiển và emitơ để xác định chế độ khoá, mở.Mức điện áp để mở IGBT chế độ bão hoà thường chọn 15V. Khi khoá tín hiệu điều khiển phải ngắt hoặc đưa về mức điện áp âm , với mức điện áp âm khi khoá góp phần giảm tổn thất công suất trên mạch điều khiển.

Để tạo mức điện áp âm thường điều khiển bằng biến áp xung sơ đồ điều khiển như sau:


85


Hình 2.16: Tạo điện áp điều khiển sử dụng biến áp xung

Trong sơ đồ trên điện áp vào là điện áp xoay chiều dạng xung với mức điện áp 15V dạng điện vào sơ cấp như hình vẽ:

Hình 2.17: Dạng xung điều khiển tạo ra bằng biến áp xung

Dạng điện áp trên thứ cấp biến áp xung , điện áp điều khiển vào cực G và điện áp Uce của van mô tả như hình vẽ. Dạng điện áp thứ cấp không có dạng giống sơ cấp do mạch từ bị bão hòa. Khi mạch từ bị bão hoà điện áp thứ cấp bằng không , khi điện áp thứ cấp dương D1 phân cực thuận điện áp đặt vào cực G của IGBT và van được mở. Khi mạch từ bão hoà điện áp thứ cấp bằng 0, D1 phân cực ngược, và mosfet Q1 vẫn chưa dẫn do đó điện tích được tích trong tụ Cge giữ cho van thông hoàn toàn. Khi điện áp sơ cấp đổi chiều khi đó mosfet Q1 sẽ dẫn và điện áp đặt lên cực G là âm và khoá van IGBT .


86


Với cách mở van như trên có ưu điểm tạo dạng điện áp điều khiển có xung âm ưu điểm trong vịêc khoá van, nhưng việc tính toán biến áp xung là vấn đề phức tạp khi tính toán không chính xác xung ra không vuông và sườn trước không thẳng van có thể không mở được.

Một cách khác thường được sử dụng để tạo điện áp mở thông IGBT là sử dụng IC lái IR2110. Đây là IC chuyên dụng dùng mở mosfet và IGBT làm việc ở tần số cao. IC này có thể điều khiển đồng thời hai kênh A và B.

Với điều kiện kênh A mở phần dương và kênh B mở phần âm và hai kênh này mở không mở đồng thời tức là dạng tín hiệu điều khiển kênh A và kênh B như sau:

Hình 2.18: Tạo xung điều khiển mở IGBT sử dụng IC IR2110

IC này rất phù hợp dùng lái IGBT trong mạch bán cầu vì hai van không mở đồng thời và xung điều khiển hai van mở không trùng nhau lệch nhau 180độ.

Sơ đồ chân của IC IR2110:

Hình 2.19: Sơ đồ chân IC chuyên dụng IR2110

Chức năng của các chân như sau : Chân 3 Vcc là chân cấp điện áp nguồn .


87


Chân 13 đất của điện áp logic . Chân 10 tín hiệu vào logíc điều khiển mở van kênh A. Chân 12 tín hiệu vào logíc điều khiển mở van kênh B. Chân 7 điện áp ra dùng mở van, cấp vào cực G của kênh A. Chân 1 điện áp ra dùng mở van, cấp vào cực G của kênh B. Chân 6 dùng cấp điện áp vào cho chân HO giả sử khi có tín hiệu

HIN điện áp ra VHO=VB. Chân 5 chân Vs là chân nối cực E của van được mở trong kênh A. Chân 2 chân com là chân nối cực E của van được mở trong kênh B. Chân 9 đầu vào mức logic Chân 11 SD là chân shutdown khi tín hiệu mức logíc thấp được cấp

vào tất cả xung ra của hai chân HO và LO bị dập.

II. Thiết kế điều khiển.Theo các phân tích và đánh giá ở trên, mạch điều khiển được lựa

chọn để thiết kế bao gồm: Khâu tạo xung sử dụng IC chuyên dụng SG3526, khâu phản hồi sử dụng IC TL084, phần khuếch đại và lái mạch điều khiển sử dụng IC IR2110.

Sơ đồ khối tổng quan cho mạch điều khiển được thiết kế:

Hình2.20: Sơ đồ khối mạch điều khiển thiết kế

Các tính toán cụ thể như sau:1.Khối tạo xung.

Sử dụng IC chuyên dụng SG3526 để tạo ra 2 kênh xung theo yêu cầu. Với độ rộng tối đa là 41%, đảm bảo tránh trùng dẫn cho hai van IGBT ở mạch lực.

Độ rộng xung có thể thay đổi khi thay đổi điện áp đặt hay khi tín hiệu phản hồi được đưa về từ Shunt điện trở đầu ra.

Sơ đồ khâu tạo xung sử dụng IC SG3526:


88


Hình2.21 : Sơ đồ khâu tạo xung sử dụng IC SG3526 ***Tính toán và lựa chọn linh kiện tạo tần số 25Khz bằng IC SG 3526

Hình 2.22: Đồ thị quan hệ RT, CT trong khâu tạo xung tần số cao


89


Đồ thị trên thể hiện mối quan hệ giữa CT, RT với chu kỳ T của mạch tạo dao động. Với tần số làm việc của máy là 25Khz tương ứng chu kỳ là :

T = = =0.04(ms) (2.6)Theo đồ thị trên ta chon tụ CT = 0.01uF

tương ứng RT= 7 KΩ .* Tính toán nguồn cấp cho IC SG3526:Phạm vi điện áp cung cấp cho IC từ 8V-35V. Theo Datasheet của

linh kiện điện áp nhà sản xuất khuyên sử dụng 15V. Với điện áp này ta dễ dàng tạo ra bằng IC ổn áp. Chọn mức điện áp ra cho kênh Avà kênh B là 15V. Như vậy với nguồn cấp 15V cho IC vừa tạo điện áp nuôi IC và tạo điện áp ra cho hai kênh xung. Do đó hai chân 14 và 17 cùng nối lên nguồn 15V.

Để tránh nhiễu cho IC do sử dụng nguồn một chiều từ bên ngoài, giữa điện áp cấp và đất được nối qua tụ lọc gồm 3 tụ 47nf mắc song song như hình vẽ:

Điện áp chuẩn 5V ở chân 18 được nối với đất qua tụ hoá 10uF, ngoài ra giữa chân 4 và đất được mắc qua tụ không phân cực 22nF.

Trong IC có chân Shutdown chân 8 với chức năng ngắt xung khi đưa mức điện áp thấp vào. Vì không sử dụng chức năng của chân này ta treo chân 8 lên mức cao 5v của điện áp chuẩn ( chân 18) qua trở 20K.

Để có thể tạo ra xung trên hai chân 13 và 16 ta cần tính toán sao cho điện áp ở chân 3 nằm trong khoảng 0.3V÷3.6V . Với áp vào các chân 1 và 2 và đầu ra chân 3 là đầu ra của bộ khuếch đại vi sai. Để tạo thành bộ


90

Hình2.23: Tụ chống nhiễu cho xung ra IC SG3526


khuếch đại vi sai ta mắc thêm giá trị trở vào chân 1 và chân 2. Phần tính toán phản hồi sẽ tính cụ thể các giá trị điện trở này.2.Khâu phản hồi.

Hình2.24: Sơ đồ Khâu phản hồi

*Tính toán linh kiện mạch phản hồi.Trước hết ta sẽ tính từ khâu bão hoà

Theo Datasheet của IC SG3526Uđk =0.3V D =0% (2.7)Uđk=3.6V D =50%

Vì vậy để D =40% thì Uđk = 2.64V.Trong mạch bão hoà ta thiết kế sao cho điện áp bão hoà Ubh =2.64V. Với điện áp vào Uvào là điện áp phản hồi sau khi khuếch đại và điện

áp đặt.Trong khoảng 0÷Ung điện áp vào ra quan hệ tuyến tính.Với Uvào > Ung thì Uđk=2.64V= constant.Các tính toán trên thông qua mạch tạo điện áp điều khiển sau:


91


Hình2.26: Sơ đồ khối chức năng bên trong hai đầu vào E+ và E- của SG3526 với đồ thị ghim áp điều khiển.

Trong sơ đồ trên khi D1 chưa dẫn mạch có tác dụng như khối khuếch đại đảo và điện áp ra Ur

Ur = (2.8)

Anod của D1 được nối với bộ chia áp để khống chế khoảng mở của D1. Catod của D1 nối với VM- và VM+ = VM- = 0V. Khi điện áp ra nhỏ hơn một giá trị, điện áp trên anod âm hơn trên catod D1 phân cực ngược không dẫn. Khi điện áp ra tăng tới một giá trị D1 phân cực thuận D1 dẫn và điện áp tại điểm phân áp bằng VM- = 0V và điện áp ra giữ mức bằng điện áp đã được chỉnh qua phân áp .

Chọn điện áp Uđặt = 5VChọn điện áp Un = 5VChọn R1 = R2 = R0 . Chọn khuếch đại thuật toán TL084 với các thông số:

Điện áp nguồn nuôi : Vcc = 18V chọn Vcc = 12 V Hiệu điện thế giữa hai đầu vào : 30 V Nhiệt độ làm việc : T = -25 ÷ 85 Công suất tiêu thụ : P = 680 mW = 0,68 W Tổng trở đầu vào : Rin= 106 MΩ Dòng điện đầu ra : Ira = 30 pA. Tốc độ biến thiên điện áp cho phép: du/dt = 13 V/μs.

Chọn R1= R2 > = =12 ( ).


92


Trong đó nếu nguồn nuôi cung cấp 12V, điện áp Uv ≈ 12V dòng điện vào hạn chế 1mA.Do đó chọn R1 =R2 = R0 =15 (kΩ)

Biến trở dùng để phân áp có phải có giá trị nhỏ.Nếu biến trở này có giá trị lớn khi D1 dẫn không nối tắt được R0. Khi đó giá trị của Ur ngoài điện áp phân áp còn có điện áp khuếch đại.

Chọn diode D1 là 1N4002. Khi chọn R1 =R2 = R0 =15 (kΩ). Quan hệ giữa điện áp ra U r và

các điện áp vào( gồm Uđặt và Uph) được xác định:Ur = Uđặt – Uph (2.9)

Với điện áp Uđặt = 5V Ur =2.64V

Uph = Uđặt – Ur =5 - 2.64 = 2.36V (2.10)Lấy tín hiệu phản hồi dòng từ điện trở Shunt với giá trị

300A/75mV do máy làm việc ở 250A điện áp từ Shunt đưa về :

Us = 62.5 mVTa thiết kế khâu khuếch đại không đảo với hệ số khuếch đại là:

KKĐ= = = 37.76 (2.11)

Do tín hiệu đưa về từ shunt không có dạng một chiều tuyệt đối ngoài thành phần một chiều còn có các xung nhọn ta dùng tụ lọc đầu vào với giá trị tụ lọc C = 0.1nF.

Trong sơ đồ trên tín hiệu từ shunt đưa vào chân trừ và tín hiệu ra được tính theo công thức

Uph = Us. (2.12)

Và hệ số khuếch đại KKĐ= = 37.76 (2.13)

Ta chọn R3=R4, khi đó =75.52 (2.14)

Vậy R2= 74.52.R1 (2.15)Nếu chọn R1=2 . thì:

R2= 149.04 chọn theo chuẩn R2 = 150 .Chọn R3= R4= 15 .Vậy sơ đồ phản hồi được thiết kế như hình vẽ. Với giá trị linh kiện

như sau: R3= 15 R4= 15

R1= 2 R2= 150 (2.16)


93


R5=15 R6= 15 R0= 15

C = 0.1nF

Khi tính toán phần phản hồi ta tính toán máy làm việc với dòng hàn khác nhau. Để thay đổi dòng hàn ta thay đổi điện ấp đặt phạm vi làm việc với máy từ 25A ÷ 250A vì vậy Uđặt thay đổi trong phạm vi Umin ÷ Umax, với Umax =5V ta tiếp tục tính Umin.

Uđặt min tương ứng dòng hàn 25A và độ rộng xung D =4%

Uđk = = 0.264V (2.17)

Uph= = 6.25mV (2.18)

Uđặt min = = 0,5VVậy Uđặt thay đổi trong khoảng 0.5V ÷ 5V tương ứng dòng hàn thay

đổi từ 25A÷ 250A.3. Khâu khuyếch đại và truyền xung điều khiển.

Sơ đồ nguyên lý mạch lái điều khiển IGBT:

Hình2.27: Sơ đồ nguyên lý khâu lái IGBT sử dụng IC IR2110


94


Hình 2.28: Sơ đồ các khối chức năng bên trong IC IR2110

Để tạo điện áp dạng xung ở đầu ra chân HO và LO có tín hiệu logic đầu vào chân Hin và Lin ở mức cao. Chân Hin nối chân OUT A và chân Lin nối chân OUT B của IC tạo xung SG3526. Do mức điện áp ra của SG3526 là 15V vậy chân Vdd phải được cấp bởi điện áp 15V làm mức điện áp logic. Giữa chân Vdd và chân Vss được mắc bởi tụ 100nF.

Hai tụ C1 và C2 là hai tụ boostrap. Khi Vs được kéo xuống đất tụ C1 được nạp qua Diod tạo điện áp Vbs

Chọn C1=C2= 470Nf. (2.19)Điện trở mắc thêm vào cực G là Rg. Điện trở Rg cũng ảnh hưởng

đến tổn hao công suất điều khiển ,điện trở Rg nhỏ giảm thời gian xác lập tín hiệu điều khiển, giảm ảnh hưởng của dUCE/dt, giảm tổn thất năng lượng trong quá trình điều khiển, nhưng lại làm mạch điều khiển nhạy cảm hơn với điện cảm ký sinh trong mạch điều khiển.

Chọn Rg=22Ω. (2.20)4. Mạch điều khiển cao áp.

Mạch điều khiển cao áp có tác dụng đóng cắt mạch cao áp đúng thời điểm trong chế độ hàn TIG.

Tại thời điểm ban đầu, đầu mỏ hàn đặt gần vật hàn lúc đó chưa có hồ quang, mạch điều khiển cao áp đưa ra tín hiệu đóng cuộn cao áp làm cho điện áp giữa hai điện cực có áp cao và tần số cao dễ sinh hồ quang. Khi hồ quang phát sinh mạch điều khiển phải cấp tín hiệu cắt cao áp, để điện áp giữa điện cực là điện áp hồ quang Uhq.

Dựa vào yêu cầu trên để điều khiển mạch cao áp ta lấy tín hiệu điện áp từ hai điện cực, khi chưa có hồ quang điện áp giữa hai điện cực lớn đưa


95


ra tín hiệu đóng cao áp. Khi hồ quang phát sinh điện áp giảm và tới ngưỡng nhất định cắt cao áp.

Trong mạch điều khiển cao áp ta sử dụng khâu so sánh nhằm tác dụng so sánh điện áp hai điện cực với điện áp chuẩn, khi điện áp nhỏ hơn áp chuẩn ngắt cao áp và khi áp lớn đóng cao áp

Sơ đồ khâu điều khiển cao áp được chỉ ra dưới đây:

Hình2.28: Sơ đồ mạch điều khiển cao áp.

Trong sơ đồ trên biến trở 100K dùng chỉnh định điện áp ngắt và điện trở 10K dùng làm phân áp cho đầu vào V+ của khuyếch đại thuật toán, khi đó điện áp :

V+ = (2.21)

Vh là điện áp dương hàn, âm hàn nối chung đất của mạch điều khiển. Muốn cắt cao áp ở điện áp hàn Vh= 30V ta chỉnh biến trở giá trị

RVR >50 KΩ tương ứng V+ < 5V. Tức điện áp đầu ra bộ so sánh.Tại thời điểm ban đầu Vh > 30V, V+ giữ mức điện áp bằng điện áp

ổn áp 6.2V. Và điện áp V- giữ ở điện áp 5V nên V+ > V- đầu ra của bộ so sánh có điện áp ngưỡng dương, do đó transitor thông và relay kích hoạt cao áp tác động.

Phần năng lượng tích trong cuộn dây relay được xả qua một diode mắc song song hai đầu cuộn dây.

Sơ đồ điều khiển tổng thể được chỉ ra dưới đây:


96



Hình : Sơ đồ tổng quát mạch điều khiển

1

Documents

May Han Tig Su Dung Cong Nghe Bien Tan