CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU CHUNG 1. Giới thiệu chung về nguồn hàn hồ quang một chiều 1. Khái niệm chung về hàn điện Hàn là phương pháp công nghệ nối các chi tiết máy bằng kim loại hoặc phi kim loại với nhau bằng cách nung nóng chỗ nối đến trạng thái hàn (chảy hoặc dẻo). Sau đó kim loại lỏng hóa rắn hoặc kim loại dẻo thông qua có lực ép, chỗ nối tạo thành mối liên kết bền vững gọi là mối hàn.
Cụ thể ở đây hàn điện là phương pháp sử dụng điện năng biến thành nhiệt cung cấp cho quá trình nung nóng. Ví dụ: hàn hồ quang, hàn tiếp xúc… 1. Nguồn điện cho hàn hồ quang Để có được một mối hàn đẹp, chắn chắn, chất lượng cao, ngoài yếu tố về vật liệu hàn, tay nghề của thợ hàn, vị trí mối hàn,. thì nguồn điện hàn đóng một vai trò vô cùng quan trọng.
Trong phần này chúng ta sẽ xem xét các dạng nguồn điện cho hàn hồ quang, đánh giá ưu nhược điểm của chúng và cuối cùng dựa vào các đặc điểm của hàn hồ quang để đưa ra các yêu cầu cho nguồn điện hàn. Đó chính là nền tảng cho việc thiết kế sau này. Hiện nay có ba dạng nguồn điện dùng cho hàn hồ quang, đó là: a. Các biến áp hàn Trước đây, máy biến áp hàn được sử dụng khá phổ biến nhất là trong hàn hồ quang xoay chiều.
Khác với máy biến áp điện lực thông thường, biến áp hàn vừa là một máy biến áp vừa là một trở kháng điều chỉnh được để tăng cường độ ổn định cho hồ quang. Tuy nhiên, do dòng điện hàn là dòng xoay chiều nên chất lượng hàn hồ quang không cao, trong mối hàn thường xuất hiện lỗ khí. Vì vậy, phương pháp sử dụng máy biến áp hàn chỉ thích hợp cho những nơi không có yêu cầu quá cao về chất lượng mối hàn. Các máy phát điện hàn một chiều Loại nguồn điện này dùng cho hàn hồ quang một chiều.
Nó gồm một động cơ không đồng bộ ba pha và một máy phát hàn một chiều .Trong thiết bị này, năng lượng điện xoay chiều sẽ được động cơ không đồng bộ ba pha biến thành cơ năng làm quay máy phát hàn một chiều. Máy phát hàn một chiều sẽ phát ra dòng điện một chiều sử SVTH : TRẦN TRUNG HIẾU 1 Đề tài: Thiết kế bộ chỉnh lưu cấp nguồn hàn hồ quang một chiều dụng cho quá trình hàn. Có thể thấy ngay rằng hiệu suất của thiết bị này không cao vì năng lượng bị chuyển hóa nhiều lần gây nên tổn hao lớn hơn bình thường, Hơn nữa thiết bị này lại cồng kềnh, đắt tiền, cho nên ngày nay người ta không sử dụng loại thiết bị này nữa. Các chỉnh lưu hàn Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn, các chỉ lưu hàn đang dần trở thành nguồn điện chủ đạo công nghệ hàn điện.
Các chỉnh lưu hàn có nhiều ưu điểm nổi trội như đơn giản, gọn nhẹ, dễ chế tạo, giá thành hạ, chất lượng điện áp và dòng điện cao,… dễ thay thế toàn bộ các biến áp hàn và máy phát hàn ở trong tương lai không xa. Các chỉnh lưu hàn gồm biến áp, van chỉnh lưu, bộ lọc và mạch điều khiển máy biến áp ở đây thường dùng là máy biến áp nhiều pha để cho lưới điện được phân phối tại một cách cân bằng. Van chỉnh lưu là các khi Thyristor công suất. Yêu cầu đối với nguồn hàn hồ quang Nguồn điện cung cấp cho hàn hồ quang có thể là xoay chiều hoặc một chiều.
Trong đó nguồn hàn hồ quang một chiều có hai loại là: - Bộ biến đổi quay (máy phát hàn một chiều) - Bộ biến đổi tĩnh (bộ chỉnh lưu) Với sự phát triển của kĩ thuật bán dẫn công suất lớn đã đưa ra nhiều ứng dụng trong nguồn hàn một chiều. Nguồn hàn một chiều dùng bộ chỉnh lưu có những ưu việt sau đây: - Chỉ tiêu năng lượng cao - Không có phần quay - Hiệu suất cao, chi phí vận hành, bảo dưỡng và sửa chữa thấp. Tuy nhiên chúng đều có những yêu cầu chung sau: Điện áp không tải đủ lớn để mồi được mối hồ quang. Khi nguồn hàn là một chiều đối với điện cực là: + Kim loại: U o min (30 40)V + Điện cực than: U o min (45 55)V Khi nguồn hàn là xoay chiều: U o min (50 60)V SVTH : TRẦN TRUNG HIẾU 2 Đề tài: Thiết kế bộ chỉnh lưu cấp nguồn hàn hồ quang một chiều Đảm bảo an toàn lúc làm việc ở chế độ làm việc cũng như ở chế độ ngắn mạch làm việc.
Bội số dòng điện ngắn mạch không được quá lớn. 𝐼𝑛𝑚 𝜆𝐼 = = 1,2 ÷ 1,4 𝐼𝑑𝑚 Trong đó: 𝜆𝐼 – bội số dòng điện ngắn mạch 𝐼𝑛𝑚 – dòng điện ngắn mạch [A] 𝐼𝑑𝑚 – dòng điện hàn định mức [A] Nguồn hàn phải có công suất lớn Nguồn hàn phải có khả năng điều chỉnh được dòng hàn: vì như ta đã biết dòng hàn điện phụ thuộc vào đường kính que hàn. Dòng điện hàn được tính theo biểu thức sau: 𝐼ℎ = (40 ÷ 60)𝑑 Trong đó: 𝐼ℎ – dòng điện hàn [A] 𝑑 – đường kính que hàn [mm] Đường đặc tính ngoài hay còn gọi là đặc tính Vôn- Ampe (hình 1.1) của nguồn hàn phải đáp ứng theo từng loại phương pháp hàn. Đặc tính dốc 2.
Đặc tính thoải 3. Đặc tính cứng 4. Đặc tính tăng Hình 1. Các đặc tính ngoài của nguồn điện hàn SVTH : TRẦN TRUNG HIẾU 3 Đề tài: Thiết kế bộ chỉnh lưu cấp nguồn hàn hồ quang một chiều Nguồn hàn dùng cho phương pháp hàn hồ quang bằng tay phải có đường đặc tính ngoài dốc Nguồn hàn dùng cho phương pháp hàn hồ quang tự động phải có đường đặc tính ngoài cứng.
Ứng dụng hàn hồ quang Ngày nay do sự phát triển của khoa học công nghệ thì hàn hồ quang càng trở nên phổ biến và được ứng dụng nhiều trong các ngành công nghiệp hiện đại như: đóng tàu, xây dựng, cơ khí …Ngoài qua ra hàn hồ quang cũng được ứng dụng rất nhiều trong hoạt động lao động sản xuất của con người. Do thiết bị hàn được thiết kế đơn giản và linh hoạt nên hàn hồ quang là một trong các phương pháp hàn phổ biến nhất hiện nay trên thế giới và có những ứng dụng rộng rãi như trong đời sống và sản xuất, có thể kể ra như: - Phù hợp để hàn các vật hàn có độ dày tương đối nhỏ và trung bình với nhiều tư thế khác nhau trong không gian. - Chiếm nhiều ưu thế so với các phương pháp hàn khác trong ngành công nghiệp sửa chữa và phục hồi. - Hàn hồ quang được sử dụng rộng rãi trong xây dựng kết cấu thép, chế tạo công nghiệp.
Thường dùng để hàn thép carbon, các thép hợp kim cao và thấp, một số thép không gỉ, gang dẻo và gang xám (ít khi dùng hàn với các kim loại màu như: niken, đồng, nhôm và các hợp kim của chúng). Nhìn chung, do tính linh hoạt, đơn giản vốn có của máy hàn hồ quang tay mà người thợ hàn có thể sử dụng thiết bị này rất cơ động trong xây dựng, cơ khí. và giúp cho thiết bị máy hàn hồ quang điện này được tin dùng rộng rãi. Giới thiệu chung về chỉnh lưu 1.
Khái niệm, cấu trúc, phân loại mạch chỉnh lưu a. Khái niệm Chỉnh lưu là quá trình biến đổi nguồn điện xoay chiều thành nguồn điện một chiều bằng cách sử dụng các phần tử bán dẫn công suất. Cấu trúc SVTH : TRẦN TRUNG HIẾU 4 Đề tài: Thiết kế bộ chỉnh lưu cấp nguồn hàn hồ quang một chiều Chỉnh lưu là thiết bị điện tử công suất được sử dụng rộng rãi nhất trong thực tế. Sơ đồ cấu trúc thường gặp của mạch chỉnh lưu như như hình 1.2 dưới đây Hình 1.
Sơ đồ cấu trúc mạch chỉnh lưu Trong sơ đồ: Máy biến áp (BA) làm hai nhiệm vụ chính là: - Chuyển từ điện áp quy chuẩn của lưới điện xoay chiều U1 sang điện áp U2 thích hợp với yêu cầu của tải. Tuỳ theo yêu cầu của tải mà máy biến áp có thể là tăng áp hoặc giảm áp. - Biến đổi số pha của nguồn lưới sang số pha theo yêu cầu của mạch van. Thông thường số pha của lưới lớn nhất là 3, song mạch van có thể cần số pha là 6, 12… Trường hợp tải yêu cầu mức điện áp phù hợp với lưới điện và mạch van đòi hỏi số pha như lưới điện thì có thể bỏ máy biến áp.
Mạch van (MV): là các van bán dẫn được mắc với nhau theo cách nào đó để có thể tiến hành quá trình chỉnh lưu. Mạch lọc (ML): nhằm đảm bảo điện áp (hoặc dòng điện) một chiều cấp cho tải là bằng phẳng theo yêu cầu. Phân loại mạch chỉnh lưu Chỉnh lưu được phân loại theo một số cách sau đây: Phân loại theo số pha nguồn cấp cho mạch van: một pha, hai pha, ba pha, 6 pha v.v… Phân loại theo loại van bán dẫn trong mạch van: Đối với mạch chỉnh lưu, hiện nay chủ yếu dùng hai loại van là điôt và thyristor, vì thế có ba loại mạch sau: - Mạch van dùng toàn điôt, gọi là chỉnh lưu không điều khiển. - Mạch van dùng toàn thyristor, gọi là chỉnh lưu điều khiển.
- Mạch chỉnh lưu dùng cả hai loại điôt và thyristor, gọi là chỉnh lưu bán điều khiển. Phân loại theo sơ đồ mắc các van với nhau. Có hai kiểu mắc van: SVTH : TRẦN TRUNG HIẾU 5 Đề tài: Thiết kế bộ chỉnh lưu cấp nguồn hàn hồ quang một chiều - Sơ đồ hình tia: Ở sơ đồ này số lượng van bằng số pha nguồn cấp cho mạch van. Tất cả các van đều mắc chung một đầu nào đó với nhau hoặc catôt chung, hoặc anôt chung.
- Sơ đồ cầu: Ở sơ đồ này số lượng van nhiều gấp đôi số pha nguồn cấp cho mạch van. Trong đó một nửa số van mắc chung nhau catôt, nửa kia lại mắc chung nhau anôt. Như vậy, khi gọi tên một mạch chỉnh lưu, người ta dùng ba dấu hiệu trên để chỉ cụ thể mạch đó. Thí dụ: chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển, có nghĩa là mạch chỉnh lưu này dùng kiểu mắc van theo sơ đồ cầu, nguồn cấp cho mạch van là ba pha, và dùng 6 van có cả điôt và thyristor.
Giới thiệu chung về van thyristor a. Cấu tạo, ký hiệu Thyristor là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn p-n-p-n, tạo ra ba tiếp giáp p-n: J1, J2, J3. Thyristor có ba cực: anôt A, catôt K, cực điều khiển G như được biểu diễn trên hình 1. a) Cấu trúc bán dẫn; b) Kí hiệu b.
