Đề tài Máy hàn TIG sử dụng công nghệ biến tần

ẽ 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. H×nh 1.32: æn ®Þnh dßng hµn b»ng m¹ch chØnh l­u cã ®iÒu khiÓn 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. 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. U®Æt T1 T2 D1 220/380V, 50Hz Ph¶n håi dßng ®iÖn U®k T3 D2 D3 U®Æt T1 T2 D2 D1 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: 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 Hình 4.7: 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 kVA Idt = 20A Ta 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. 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. 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. 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. 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 1.39: Sơ đồ động lực của 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 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: TÇn sè chuyÓn m¹ch Tr2 th«ng §iÖn ¸p s¬ cÊp Tr1 th«ng Hình 1.40: Giản đồ sóng của mạch cầu bán phần. 3. Mạch đẩy kéo push – pull. Tr2 Tr1 Hình1.41: Mạch động lực của mạch đẩy kéo push – pull. 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. TÇn sè chuyÓn m¹ch Tr2 th«ng §iÖn ¸p s¬ cÊp Tr1 th«ng 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. 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. 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 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 : 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, 8 2. 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 : Hình 1.47: Dạng sóng điện áp sau chỉnh lưu đầu vào. 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. Hình 1.48: Dạng sóng điện áp sau tụ lọc. Do đó điện áp sau chỉnh lưu qua tụ lọc có dung lượng lớn có thể tính theo công thức sau : 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. 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 = 250A 6. 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 V Tỷ số biến điện áp khi hàn : m = = 5, 55 (5. 7) Đặt Usc = U1 và Utc = U2, Isc = I1 và Ih = Itc = I2. 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 hàn Với 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 lực 1. 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 : Hình 1.50: Sơ đồ chỉnh lưu cầu đầu vào. 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 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, 3 Vậy 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 : Hình 1.52: Dạng sóng điện áp sau tụ lọc. 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, 001 Do 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 Đặt R. C. f = A ta có phương trình như sau : 0, 008A2 – 4A +1 = 0 Giải phương trình trên ta nhận được hai nghiệm số như sau : A = 0, 25 A = 499 Với A = 0, 25 thay vào ta có : R. C. 50 = 0, 25 R. 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 áp Nếu 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 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 kI = 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 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 hàn 4. 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 : Hình dưới là kích thước 1/2 lõi Hình 1.55: Lõi Ferit của biến áp hàn. 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 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 chu