TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - THÔNG TIN

ĐỒ ÁN 2
Đề tài: “ Thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu có điều khiển cho tải
máy hàn một chiều.”

Giảng viên hướng dẫn : T.S: TRẦN VĂN THỊNH
Sinh viên thực hiện:
NGUYỄN VIỆT ANH
Lớp :
K21-TĐH
Khố :
2018-2022
Hệ
:
CHÍNH QUY

Hà Nội, tháng 2/2022
1


MỤC LỤC

LỜI NĨI ĐẦU………………………………………………………………….4
CHƯƠNG I:TỔNG QUAN VỀ CƠNG NGHỆ HÀN MỘT CHIỀU…………..4
1.1:Khái niệm về hàn điện………………………………………………………5
1.2:Định nghĩa hàn……………………………………………………………....5
1.3:Hồ quang điện và hàn hồ quang điện………………………………………..5
1.4:Các yêu cầu chung đối với hàn hồ quang điện………………………………6

CHƯƠNG II: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ MẠCH CÔNG SUẤT………8
2.1: Các phương án thiết kế………………………………………………...8
2.1.1: Chỉnh lưu ti aba pha có điều khiển…………………………………..9
2.1.2: Chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển khơng đối xứng………………..11
2.1.3: Chỉnh lưu cầu ba pha có điều
khiển………………………………………………………………………..12
2.2:Thiết kế mạch lực………………………………………………………16
2.3: Thiết kế máy biến áp…………………………………………………17
2.3.1: Các thông số cơ bản của máy biến áp……………………………….17
2.3.2: Tính chọn van động lực.......................................................................19
2.3.3: Tính cuộn kháng lọc…………………………………………………20
CHƯƠNG III:THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN....................................21
3.1.Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển........................................21
3.2.Thiết kế mạch điều khiển…………………………………………22

2


3.3: Tính tốn các khâu trong mạch điều khiển………………………….23
3.3.1.Tính tốn khâu đồng bộ………………………………………….24
3.3.2: Khâu tạo điện áp răng cưa………………………………………25
3.3.3: Khâu so sánh…………………………………………………….27
3.3.4: Khâu phát xung chum……………………………………………27
3.3.5: Khâu trộn xung…………………………………………………28
3.3.6: Khâu phản hồi……………………………………………………29
3.3.7:Khối nguồn………………………………………………………31
3.3.8:Khuyếch đại xung & biến áp xung………………………………35
Sơ đồ nguyên lí mạch điều khiển………………………………………….40
Mạch động lực………………………………………………………………41

Sơ đồ điện áp………………………………………………………………..42
KÊT LUẬN…………………………………………………………..43

3


LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay,cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học cơng nghệ và những
ứng dụng của nó trong cơng nghiệp nói chung và trong cơng nghiệp điện tử
nói riêng.Những thiết bị điện tử cơng suất lớn đã ra đời và đang trở nên
thông dụng,cần thiết đối với cuộc sống vì vậy việc nắm bắt,am hiểu rõ về
thiết bị này đối với các kỹ sư điện là ắt buộc
Sự ra đời, phát triển nhanh chóng và ngày càng hồn thiện của các linh kiện
điện tử, bán dẫn cơng suất lớn như Diode, Thyristor, Triac, Tranzitor và đặc
biệt là vi xử lí đã tạo ra một bước đột phá mới làm thay đổi một cách sâu
sắc, toàn diện cũng như thúc đẫy mạnh mẽ sự phát triển các thiết bị, hệ
thống thiết bị điện- điện tử, các hệ thống điều khiển…
Đối với sinh viên khoa điện nói chung và đặc biệt là sinh viên ngành tự động
hóa của chúng em thì việc nắm vững lí thuyết mơn học và biết cách ứng
dụng chúng vào thực tế là điều rất quan trọng. Hiện nay hàn điện là một
công nghệ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, trong xây dựng và
trong công nghiệp chế tạo máy. ở học kỳ này em được các thầy cô giao cho
đồ án môn học có đề tài là: Thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu máy có điều
khiển cho tải hàn một chiều.
Được sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình cuả các thầy cơ trong bộ môn và đặc
biệt là sự hướng dẫn trực tiếp của thầy Trần Văn Thịnh, emđã hoàn thành đồ
án đúng thời gian quy định.
Mặc đù em đa cố gắng rất nhiều trong việc tìm hiểu cũng thiết kế đồ án
nhưng do trình độ có hạn nên đồ án khơng thể tránh khỏi sai sót, rất mong sự

đóng góp ý kiến của các thầy cô và các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn.

Em xin chân thành cảm ơn!

4


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ HÀN MỘT CHIỀU.

1.1:Khái niệm về hàn điện.
Hàn điện là một công nghệ phổ biến nhất trong kỹ thuật hiện đại.ở các ngành
đóng tàu,ngành xây dựng,ngành chế tạo máy móc khơng thể thiếu máy hàn
điện.Hàn điện củng được áp dụng ở những đơn vị sản xuất nhỏ và những
công ty lớn trong các ngành cơng nghiệp khác.
1.2:Định nghĩa hàn.
Hàn là q trình nối hai vật liệu bằng kim loại với nhau bằng cách nung
nóng chổ nối đến nóng chảy hoặc gần nóng chảy.
1.3:Hồ quang điện và hàn hồ quang điện.
Hồ quang điện hàn là một dạng phóng điện trong chất khí với mật độ
dịng điện lớn(102 đến 103A/mm2). Ở điều kiện bình thường chất khí hầu như
khơng dẫn điện. Nếu đặt lên hai điện cực trong mơi trường khơng khí một
điện trường có cường độ đủ lớn thì có thể phá vỡ cách điện của chất khí và

D

nó, nhiệt độ mơi trường, vật liệu làm điện cực, độ lớn của cường độ điện

Ih

có khả năng dẫn dịng điện lớn, phụ thuộc vào tính chất chất khí, áp suất của

trường…
Đặc tính V-A, đặc tính tĩnh của hồ quang:
C

Để giảm được U mồi mà vẫn gây

B

được hồ quang người ta cho hai điện

A

5


cực tiếp xúc nhau gây ra I đoản mạch.
Nếu I đoản mạch đủ lớn sẻ nung kim
loại chổ tiếp xúc nóng chảy.
Thường sử dụng đoạn đặc tính CD đẻ hàn.
Hàn điện hồ quang là dùng nhiệt lượng của hồ quang điện nung nóng chổ
hàn làm cho kim loại vật hàn chảy và kim loại bổ sung chảy để nối hai vật
lại.
Khi hàn: cho que hàn chạm vào vật hàn 0.1 s xong đưa lên cao 3-4 mm.
Do tác dụng của điện trở nên đầu nút que hàn và chổ vật hàn tiếp xúc với
que hàn bị nung nóng. Khi nhấc que hàn lên khỏi vật hàn que hàn bắn ra
điện tử, các điện tử bắn nhanh đập vào vật hàn biến động năng thành nhiệt
năng dẫn đến vật hàn bị chảy. Môi trường giữa que hàn và vật hàn chịu tác
dụng của điện trường bị ion hóa, các ion dười đi lên rất nhanh biến động
năng thành nhiệt năng dẫn đến que hàn nóng chảy và nhỏ giọt xuống vật
hàn.

1.4: Các yêu cầu chung 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 so với máy phát hàn một chiều:

6


+ Chỉ tiêu năng lượng cao
+ Khơng có phần quay
+ Hiệu suất cao, chi phí vận hành, bão dưỡng và sữa chữa thấp.
Tuy nhiên chúng đều có những yêu cầu chung sau:
- Điện áp không tải đủ lớn và lớn hơn áp khi có tải để mồi được hồ quang
và hàn được dễ dàng:
Nguồn hàn một chiều với điện cực là:
Kim loại : u0min = (30 - 40) v
Than : u0min = (45 - 55) v
- Đảm bảo an toàn lúc làm việc ở chế độ làm việc cũng như ở chế độ
ngắn mạch làm việc. Bội số làm việc ngắn mạch khơng được q lớn.

Trong đó: -Bội số dịng điện ngắn mạch
- Dòng điện ngắn mạch [a]
- Nguồn hàn phải có cơng suất lớn.
- Nguồn hàn phải có khả năng điều chỉnh được dịng hàn; vì như ta đã
biết dịng điện hàn phụ thuộc vào đường kính que hàn. Dịng điện hàn

được tính theo biểu thức sau:

Trong đó : - Dịng điện hàn [A]
D - Đường kính que hàn [mm].

7


- Đường đặc tính ngồi của nguồn hàn phải đáp ứng theo từng phương
pháp hàn.
Đặc tính ngồi là đường biểu diễn quan hệ giữa áp trên hai đưa ra của
máy với dịng tải.
Các đặc tính ngồi của nguồn điện
Hàn:
1: Đặc tính dốc

U

1
4

2: Đặc tính thoải
3: Đặc tính cứng

3
2

4:Đặc tính tăng

I


Nguồn hàn dùng cho phương pháp hàn hồ quang bằng tay phải có đường
đặc tính ngồi dốc.
Nguồn hàn dùng cho phương pháp hàn hồ quang tự động phải có đường
đặc tính ngồi cứng.

CHƯƠNG II: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ MẠCH CƠNG SUẤT.

Có rất nhiều phương án lựa chọn để thiết kế bộ chỉnh lưu cho nguồn hàn 3
pha.ở đây ta xét các phương án sau:
- Chỉnh lưu tia 3 pha có điều khiển.
8


- Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển không đối xứng.
- Chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển.
2.1: Các phương án thiết kế.
2.1.1: Chỉnh lưu ti aba pha có điều khiển.
. Sơ đồ đồ thị:

. Cơng thức tính tốn:
- Điện áp chỉnh lưu nhận được

với
9


- Điện áp ngược đặt lên van:

- Dòng điện tải trung bình:

- Dịng điện trung bình qua van:
- Dịng điện thứ cấp máy biến áp :

- Công suất máy biến áp :

2.1.2: Chỉnh lưu cầu bap ha có điều khiển không đối xứng.
. Sơ đồ và đồ thị:

10


. Cơng thức tính tốn.

- Điện áp chỉnh lưu nhận được:

- Điện áp ngược đặt lên van:

- Dòng điện tải trung bình:

11


- Dịng điện trung bình qua van:

- Dịng điện thứ cấp máy biến áp:

- Công suất máy biến áp:

- Điện áp chỉnh lưu nhận được:


- Điện áp ngược đặt lên van:

- Dịng điện tải trung bình:

- Dịng điện trung bình qua van:
- Dịng điện thứ cấp máy biến áp:

- Cơng suất máy biến áp :
2.1.3: Chỉnh lưu cầu ba pha có điều
khiển.
. Sơ đồ và đồ thị:

12


.Cơng thức tính tốn:

NẾU

(Khi góc mở bằng 0)

. Nhận xét chung:

13


. Sơ đồ hình tia 3 pha:
Thường được lựa chọn khi công suất tải không quá lớn so với biến áp
nguồn cấp ( tránh gây mất đối xứng cho nguồn lưới) và tải khơng có u cầu
q cao về chất lượng điện áp một chiều.

Loại này cần có biến áp nguồn để có điểm trung tính đưa ra tải. Cơng suất
máy biến áp lớn hơn công suất một chiều 1,35 lần nhưng sụt áp trên van nhỏ
nên thích hợp với phạm vi điện áp thấp. Vì sử dụng nguồn 3 pha nên cho
phép nâng công suất tải lên nhiều, độ đập mạch điện áp sau chỉnh lưu giảm
cho nên giảm kích thước cuộn kháng lọc.
. Sơ đồ cầu 3 pha điều kiển khơng đối xứng:
Sơ đồ này có dịng chạy trong thứ cấp máy biến áp là dòng xoay chiều nên
trong máy biến áp khơng có hiện tượng từ hố cưỡng bức.
Cơng suất tính tốn máy biến áp xấp xỉ cơng suất trên tải chứng tỏ thành
phần sóng điều hồ bậc cao trong sơ đồ cầu là không đáng kể. Chất lượng
điện áp một chiều khá tốt điều này làm giảm điện kháng bộ lọc dẫn đến giảm
kích thước bộ lọc.mặt khác vì chỉ cần điều khiển 1 nhóm tiristo t1,t3,t5 nên
chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển đơn giản hơn điều khiển sơ đồ có điều
khiển.
.Sơ đồ cầu 3 pha có điều khiển:
Số xung đập mạch trong 1 chu kỳ lớn m = 6 ( làm giảm kích thước cuộn
kháng hạn chế dòng điện đập mạch ở sau khối chỉnh lưu) nên chất lượng
điện áp tốt hơn.

14


Sơ đồ này có hệ số sử dụng biến áp rất cao,công suất mba gần bằng công
suất tải.và trong mba khơng có hiện tượng từ hố cưỡng bức vì dịng điện
chạy trong cuộn dây thứ cấp là xoay chiều,nên tổng ampe vòng của thành
phần 1 chiều gây nên trên mỗi trụ biến áp bằng khơng.

Vì vậy ta chọn mạch chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển là thích hợp
nhất.


15


2.2:Thiết kế mạch lực:

b

a

c
CD
at

r

c

2c c

1c c

1c c

1c c
r

c

T4


t1

2c c

r

c

r

2c c

T6

t3

2c c

r

c

r

c

2c c

T2


t5

2c c

l

r

s

u

phd

vật hàn

Sơđồ mạch lực

2.3: Thit k mỏy bin áp.

16


2.3.1: Các thông số cơ bản của máy biến áp.
- Điện áp sơ cấp: u1 =3 x 380 (V)
- Điện áp pha thứ cấp:
Phương trình cân bằng điện áp khi có tải:

Trong đó :
Sụt áp trên van:

Sụt áp trên cuộn kháng lọc:
Sụt áp trên máy biến áp :

- Công suất máy biến áp:

(Với ksd:hệ số công suất theo sơ đồ mạch động lực.)
- Với sơ đồ cầu 3 pha có điều khiển ta có:

LẤY

- Điện áp pha thứ cấp máy biến áp :

- Dòng hiệu dụng thứ cấp máy biến áp :

17


- Dòng sơ cấp máy biến áp :
- I1 = I2.KBA = = = 35,53(A)
Chọn mạch từ 3 trụ, tiết diện mỗi trụ :

: Hệ số phụ thuộc phương thức làm mát, lấy (máy biến áp khô)
M: số trụ của máy biến áp
- Số vịng vơn: (vơn/vịng)
- Số vịng dây sơ cấp: vòng ; chọn w1= 1465 vòng
- Số vòng dây thứ cấp: vòng; chọn w2=190 vòng
- Chọn mật độ dòng điện :
- Tiết diện dây dẫn sơ cấp:
- Tiết diện dây dẫn thứ cấp:
2.3.2: Tính chọn van động lực.

. Các thông số để chọn van:
- Điện áp chỉnh lưu không tải :
- Điện áp ngược lớn nhất mà van phải chịu:
= .48,66 = 119,2 (v)
=1,6 . 119,2 = 191 (v); (chọn hệ số dự trữ kdtu = 1,6.)

18


Dòng điện làm việc của van: itbvan =

I

d

3 =

250/3 =83 (A)

Chọn chế độ làm mát cho van là làm mát bằng quạt gió.
Chọn hệ số dự trữ dịng điện : KDTI = 2
Van phải chịu được : iv = kdti . ITBVAN = 2.83 = 166 (A)
. Chọn van:
- Tiristor: N520CH04GOO (trang 219 sách Tính tốn và thiết kế thiết bị
điện tử công suất của thầy Trần Văn Thịnh) với các thông số:
U ng max  400

(V )

I max  2200 ( A)


I G  0,3 ( A)
UG  3
U  1.3

(V )
(V )

I pik  15500 ( A)
dU
 300 (V / s)
dt

2.3.3: Tính cuộn kháng lọc
Với yêu cầu của điện áp hàn có Kđm = 0,02
Hệ số san bằng của mạch lọc : Ksb = Kđmv/Kđmr
với sơ đồ cầu 3 pha điều khiển đối xứng ta có: Kđmr= 0,057

19


Ksb = Kđmv/Kđmr=
Tải có điện trở tương đương:
ta có giá trị điện cảm:

Vậy : Điện cảm yêu cầu của cuộn kháng lọc :
Dòng định mức chạy qua cuộn kháng: Idm=250 (a)
Biên độ dòng xoay chiều bậc 1: I1m=10%Idm=25 (a)
Do dòng điện cuộn kháng lớn và điện trở bé do đó ta có thể coi tổng trở
cuộn kháng xấp xĩ điện kháng:

zl xl = wL = 2..f.1,27.10-3 = 398,98.10-3
Điện áp rơi trên cuộn kháng lọc: = 398,98.10-3.= 42,3(v)

CHƯƠNG III:THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN.
3.1.Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển.
Hình dưới là sơ đồ cấu trúc và đồ thị minh hoạ. Ở đây khâu UT tạo ra điện áp
tựa có dạng cố định (thường có dạng răng cưa, đơi khi hình sin) theo chu kỳ
do nhịp đồng bộ của UĐB. Khâu so sánh “SS” xác định thời điểm cân bằng
của 2 điện áp UT và UĐK để phát động khâu tạo xung TX. Như vậy trong
nguyên tắc này thời điểm phát xung mở van hay góc điều khiển thay đổi do
sự thay đổi trị số của UĐK, trên đồ thị đó là sự di chuyển theo chiều dọc của
trục biên độ. Đa số mạch điều khiển thực tế sử dụng nguyên tắc này

20


3.2.Thiết kế mạch điều khiển.
 Thuyết minh:

21


Khi cấp nguồn vào sơ cấp của biến áp đồng pha, phía thứ cấp của biến
áp được hạ áp. Sau khi qua mạch chỉnh lưu có điểm trung tính điện áp U1 là
điện áp một chiều nửa hình sin.
Điện áp một chiều nửa hình sin tại U1 được đưa vào cực (+) của OA1 so
sánh với điện áp phẳng U được đặt vào cực (-) của OA1 do E1, VR1 và R2 tạo
ra. Kết quả ta được tín hiệu đầu ra U2 của OA1 có dạng xung vng đồng bộ
với lưới.
Điện áp dạng xung vuông sau khi được tạo ra ở khâu đồng bộ trước đó

được đưa vào khâu tạo điện áp răng cưa. Khi U2 có giá trị âm, diode D3 mở,
tụ C1 được nạp theo chiều từ U3 qua tụ C1 qua R3 qua diode D3 về U2.Khi U2
có giá trị dương,diode D3 khố lúc này tụ C1 phóng từ + C1 qua DZ về –
C1 .kết quả ta được u3 có dạng điện áp răng cưa.
Điện áp điều khiển được lấy từ điện áp phản hồi trên điện trở shunt
được khuyếch đại lên để có độ lớn thích hợp, sau khi qua khâu khuyếch đại
đảo và khâu PI lọc sai số động ta được UĐK có dạng đường thẳng.
Điện áp răng cưa U3 được đưa vào cửa (-) của OA3 và so sánh với điện
áp điều khiển UĐK được đưa vào cửa (+). Khi U3 > UĐK thì điện áp đầu ra của
OA3 là U4 có giá trị âm. Ngược lại, khi U3 < UĐK thì điện áp đầu ra U4 có giá
trị dương. Kết quả ta được U4 có dạng xung vng.
Khâu phát xung chùm có tác dụng tạo ra chùm xung dưới sự phóng nạp
của tụ C2. D9 có tác dụng loại bỏ xung âm. Do đó tín hiệu điện áp U6 có dạng
xung chùm dương.
Điện áp U4 được chộn với xung chùm U6 bởi IC4081 rồi được đưa qua
tầng khuyếch đại do tín hiệu xung vẫn chưa đủ lớn để kích mở thyristor.

22


Tằng khuyếch đại gồm các transisto mắc theo kiểu Dalington. Xung
dương được đặt vào bazơ của TR1 làm TR1 mở đồng thời TR2 mở theo khi đó
có xung đi vào biến áp xung. Trên cuộn thứ cấp của biến áp xung có xung để
kích mở Tiristo. Khi điện áp trên biến áp xung giảm đột ngột, cuộn dây của
biến áp xung xuất hiện sức điện động cảm ứng ngược dấu lúc đó điốt D4 và
D7 có tác dụng trả ngược điện áp dập tắt sức điện động để bảo vệ các
Transistor khỏi bị q áp.

3.3: Tính tốn các khâu trong mạch điều khiển:
3.3.1.Tính tốn khâu đồng bộ:


23


+ E

U1

14
5

4

8

2

R1

+

1

4

U ~

1

3


TR F

14

D2

1

- E

2

.

R

1

8

D1

1
+E1

3
VR1

R2


Tính tốn:
Chọn góc duy trì và thốt năng lượng  =5thì điện áp U1 đặt vào cửa
(+) của bộ so sánh là: U=umaxsin 5 =.12.sin 5 = 1,48(v)
Ta có:


Chọn R2 = 5 (k) , VR1 = 50 (k)
Để điện trở đầu vào của OA1 là lớn ta chọn điện trở R có giá trị là 100(k).
3.3.2: Khâu tạo điện áp răng cưa.

24

U2


2

C 1

1

3
V R 2

+ E 2

R 4

D Z


U 2

1

1 4

R 3

8

+ E
D 3

2

-

1

+

4

3

- E

Tính tốn
Chu kì của điện áp lưới là: tương ứng với 360

 chu kì của điện áp răng cưa là : tương ứng với 180
Mặt khác TRC = TP + TN
Trong đó : TP - thời gian phóng của tụ C1.
TN - thời gian nạp của tụ C1.
Như trên ta đã chọn  = 5 tức là TN = 10  TP = 180 - 10 = 170
Tương ứng với thời gian là: TP =
TN =
Chọn giá trị của tụ C1 = 0,2f
Gọi dòng địên trong quá trình nạp là In. Sau khoảng thời gian T = TN =
0,6 (ms) thì điện áp trên tụ đạt giá trị UC0 vậy ta có:

25

U 3