Đồ án tốt nghiệp
Chơng I
Phần mở đầu
I.1. Lời nói đầu
Hiện nay nớc ta đang trên đà hội nhập kinh tế quốc tế. Phần lớn các nhà
máy, xí nghiệp đã sử dụng các máy móc có công nghệ, kỹ thuật hiện đại góp
phần đẩy nhanh quá trình công nghiệp hoá và hiện đại hoá đất nớc.
Ngành tự động hoá giờ đây đã trở thành một trang những ngành mũi
nhọn. Nếu nh trớc kia ngời ta chỉ thực hiện tự động hoá từng máy riêng rẽ thì
ngày nay ngời ta thực hiện tự động hoá cả quá trình công nghệ và cao hơn nữa
tự động hoá cả quá trình sản đồng thời tự động đã có sự thay đổi cả về chất đem
lại hiệu quả to lớn nh giảm đợc sức lao động, hạn chế nhân công lao động, nâng
cao chất lợng sản phẩm, hạ giá thành sản phẩm. Vì vậy hệ thống điều khiển tự
động hoá quá trình sản xuất đợc ứng dụng rộng rãi.
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật và công nghệ tự
động hoá mà ngành hàn nói chung và hàn hồ quang nói riêng không chỉ hàn
bằng tay nh trớc mà có thể hàn bán tự động hoặc tự động hoàn toàn . Nói chung
các phơng pháp hàn ngày càng hoàn thiện hơn nên nó đợc sử dụng rộng rãi trong
các ngành kinh tế quốc dân nh chế tạo ô tô, tầu thuỷ trong xây dựng, lắp ráp các
thiết bị điện, trong kỹ thuật quốc phòng và đặc biệt trong ngành du hành vũ
trụ. Có thể hàn là phơng pháp gia công kim loại tiên tiến và hiện đại.
Dới đây em xin trình bày toàn bộ nội dung của đồ án tốt nghiệp: Thiết kế
nguồn hàn hồ quang một chiều Thyristor 500A do thầy giáo Trần Trọng Minh
giảng viên Trờng Đại học Bách Khoa Hà Nội hớng dẫn.
Nhờ sự giúp đỡ chỉ bảo tần tình của các thầy cô giáo trong Bộ môn đặc
biệt là thầy giáo Trần Trọng Minh và sự cố gắng tìm hiểu thực tế, tham khảo các
tài liệu có liên quan mà em đã hoàn thành đồ án này.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo!
Hà Nội, ngày tháng năm 200
Sinh viên
SV: Nguyễn Thị Nhung Lớp K9B

- Khi hồ quang bắt đầu cháy.
U
0
= iR + ir
h
+
dt
Ldi
= U
R
+ U
h
+
dt
Ldi
SV: Nguyễn Thị Nhung Lớp K9B
2
Đồ án tốt nghiệp
R
L
U
0
N
hq
Hình II.2
r
h
: điện trở hồ quang
U
R

i
d
t
-L
0 i i
B
Hình II.3.
+ Đờng 1: là điện áp nguồn
+ Đờng 2: điện áp 1 tải
+ Đờng 3: đặc tính Volt ampe của hồ quang.
b. Hồ quang xoay chiều:
- Đặc điểm hồ quang điện xoay chiều là trpng một chu kỳ thì dòng qua trị
số 0 hai lần.
- Khi hồ quang xoay chiều cháy đa ra dòng hoặc điện áp hồ quang vào thì
trên màn xuất hiện các dạng sóng nh hình dới đây.
SV: Nguyễn Thị Nhung Lớp K9B
3
Đồ án tốt nghiệp
U
i
t
0

u
t
u
h
Hình II.4
II.1.3. Công nghệ hàn hồ quang.
Hàn điện nóng chảy là một trong những phơng pháp nóng chảy, đợc dùng

thuốc hàn) hợp kim hoá, nên sau khi hàn kim loại mối hàn thờng tốt hơn kim
loại cơ bản. Vì vậy nó không những đảm bảo kết cấu chịu tải trọng tĩnh tốt mà
còn chịu đợc cả tải trọng và áp suất lớn. Chính vì thế mà hiện nay hàn là phơng
pháp chủ yếu đợc sử dụng để chế tạo các bình cha, nồi hơi, ống dẫn chịu áp
suất cao và yêu cầu có độ kín tốt.
c. Thiết bị hàn tơng đối đơn giản:
So với các thiết bị khác, thiết bị hàn nói chung có cấu tạo tơng đối đơn
giản và dễ chế tạo hơn.
VD: Máy hàn xoay chiều thực chất chỉ là một biến áp để hạ điện áp từ
110, 220 hay 230 V xuống 70 ữ 80 V để hàn .
d. Có khả năng hàn đợc các kim loại có tính chất khác nhau với nhau:
Ngoài việc hàn dễ dàng các kim loại có tính chất giống nhau ra, ngời ta
còn có thể hàn đợc cả kim loại có thành phần và tính chất khác nhau với nhau
nữa.
Ví dụ: Có thể hàn dễ dàng các hợp kim đen hay các hợp kim màu có thành
phần khác nhau với nhau, hợp kim đen với hợp kim màu
Ngoài các u điểm nêu trên hàn hồ quang cũng có những nhợc điểm cơ
bản mà ngời thiết kế hay ngời công nghệ chế tạo các kết cấu hàn không thể
không chú ý đến để tìm các biện pháp khắc phục chúng. Đó là sau khi hàn trong
vật hàn còn tồn tại ứng suất d, tổ chức kim loại cơ bản ở vùng gần mối hàn
(vùng ảnh hởng nhiệt) bị thay đổi do tác dụng của nguồn nhiệt hàn. Đây là
những nguyên nhân chủ yếu làm giảm khả năng chịu tải, đặc biệt là biến động,
thậm chí có thể bị phá huỷ khi chọn vật liệu hàn, chế độ hàn không đúng cũng
dễ gây nên các khuyết tật trong mối hàn nh: rỗ xỉ, rỗ khí
Qua đó chúng ta thấy rằng, các đặc điểm cơ bản của hàn điện nóng chảy
nêu ở trên là những vấn đề rất lớn và phức tạp, nó đòi hỏi các kỹ s công nghệ cơ
khí nói chung, đặc biệt các kỹ s hàn nói riêng cần phải nghiên cứu và nắm chắc
công nghệ hàn nóng chảy. Điều này không những nhằm mục đích bảo đảm nhận
đợc kết cấu hàn chế tạo ra có chất lợng tốt mà còn nhằm mục đích tìm các biện
pháp cơ khí hoá và tự động hoá quá trình sản xuất để tăng năng suất lao động

- Nguồn hàn hồ quang xoay chiều thờng dùng biến áp hàn do nó có nhiều
u điểm:
+ Dễ chế tạo, giá thành hợp lý
+ Nó có thể tạo ra dòng điện lớn.
- Biến áp hàn thờng dùng biến áp hàn 1 pha hoặc 3 pha.
Thờng thì máy biến áp áp ở 3 pha dùng cho nhiều đầu hànv à nó đợc chế
tạo theo 2 loại:
+ Biến áp hàn với từ thông tán bình thờng.
+ Biến áp hàn với từ thông tản tăng cờng đợc chế tạo theo các kiểu sau:
Có cuộn thứ cấp di động
Có sơn tử
Điều chỉnh theo cấp
SV: Nguyễn Thị Nhung Lớp K9B
6
Đồ án tốt nghiệp
a. Biến áp hàn có cuộn kháng ngoài.
Biến áp hàn loại này ngoài lõi thép chính của máy biến áp còn có một cơ
cấu phụ gọi là cuộn kháng ngoài. Khi thay đổi khe hở trong mạch từ của cuộn
kháng ngoài có thể nhận đợc họ đặc tính ngoài của máy biến áp hàn. Ta có hình
vẽ:
W
1
W
2
W
CK
a
Hình II.5
Khi không tải: U
0

ck
WLI
2
Trong quá trình làm việc I
2
U
ck
I
2
= I
nm

(I
nm
dòng điện ngắn mạch)
Khi đó: I
2
= I
nm
=
WL
U
2
U
20
a
nm1
0
U
2

0
= Var)
- Khi có tải: U
r
= I
2
(X
2
+ X
ck
)
Vậy điện áp hồ quang:
U
hq
= U
2
+ U
ck
- U
v
= U
2
+ U
ck
I
2
(X
2
+ X
ck

I
nm3
Hình II.8
SV: Nguyễn Thị Nhung Lớp K9B
8
Đồ án tốt nghiệp
II.2.2. Các nguồn hàn hồ quang 1 chiều
Nguồn hàn hồ quang 1 chiều đợc sử dụng trong hàn hồ quang bằng tay,
hàn hồ quang tự động và bán tự động.
Nguồn hàn hồ quang 1 chiều có 2 loại:
+ Bộ biến đổi quay (máy phát hàn 1 chiều)
+ Bộ biến đổi tĩnh (bộ chỉnh lu)
a. Máy phát hàn 1 chiều
Máy phát hàn 1 chiều đợc chia ra làm các loại nh sau:

Máy phát hàn 1 chiều
Lắp
trong
2 vỏ
Lắp
trong
1 vỏ
K.từ
song
song
K.từ
độc
lập
Truyền động
bằng động

2
đấu nối
phần ứng của máy phát.
Cuộn W
1
sinh ra
1
Cuộn W
2
Sinh ra
2
Trong đó từ thông
1
ngợc chiều từ thông
2
- Khi không tải
2
= 0
E
0
= K
e
..W
Trong đó: K
2
là hệ số cấu tạo của máy phát
W là tốc độ quay của phần cứng
- Khi có tải:
SV: Nguyễn Thị Nhung Lớp K9B
9

>W
22
Hình II.9
+ Điều chỉnh tinh bằng chiết áp VR để thay đổi dòng khi từ I
KT
của máy phát.
U
201
0
I
I
kt1
1
2
<
3
U
2
U
202
U
203
I
kt2
<I
kt3
Hình II.10
Máy phát hàn có một chiều kích từ độc lập có cuộn khử từ nối tiếp
SV: Nguyễn Thị Nhung Lớp K9B
10

1
Hình II .13
Máy phát hàn có hai cuộn dây: cuộn kích từ song song
1
và cuộn khử

2
. Họ đặc tính ngoài và điều chỉnh dòng điện hàn tơng tự nh ở máy phát hàn t-
ơng tự nh ở máy phát hàn 1 chiều kích từ độc lập có cuộn khử từ nối tiếp.
a
3
: Máy phát hàn 1 chiều có cực từ rẽ
SV: Nguyễn Thị Nhung Lớp K9B
11
Đồ án tốt nghiệp
R
V
W
1
-
F
+
A
C
Z
Hình II.14
- Máy phát hàn có 1 chiều có cực từ rẽ tạo ra đờng đặc tính ngoài dốc do
tác dụng khử từ của từ thông sinh ra trong cuộn dây phần ứng của máy phát hàn
(MFH).
- MFH có 2 cuộn dây kích từ, cuộn kích từ chính

= C
d
.
d
U
CZ
= C
n

n
- Sức điện động tổng của máy phát bằng
E
AC
= U
AZ
+ U
CZ
= C
d

d
+ C
n

n
- Khi có tải: có dòng điện phụ chảy trong phần ứng của máy phát. Từ
thông do dòng điện phụ chảy trong phần ứng sinh ra có chiều cùng chiều với từ
thông ngang
n
và ngợc chiều với từ thông dọc

Mặt khác U
ZC
= C
n

n
const có nghĩa là điện áp kích từ lấy từ trên 2 chổi
than C, Z không phụ thuộc vào sự biến động của phụ tải, còn điện áp lấy trên 2
chổi than A, C thay đổi theo phụ tải
U
AC
= U
AZ
+ U
ZC
= C
d
(
d
-
p
) + U
ZC
I.R
= C
d
(
d
-
p

I.R 0
b. Nguồn hàn hồ quang dùng bộ chỉnh lu.
- Sự phát triển của khoa học kỹ thuật bán dẫn công suất lớn đã đa ra nhiều
ứng dụng của nó trong nguồn hàn hồ quang 1 chiều nguồn hàn 1 chiều dùng bộ
chỉnh lu có những điểm u việt hơn so với máy phát hàn 1 chiều.
- Chỉ tiêu năng lợng cao
- Không có phần quay
- Hiệu suất cao, chi phí vận hành, bảo dỡng và sửa chữa thấp.
- Nguồn hàn hồ quang một chiều dùng bộ chỉnh lu gồm 2 bộ phận chính:
+ Máy biến áp hàn
+ Bộ chỉnh lu
- Nguồn hàn hồ quang một chiều dùng bộ chỉnh lu đợc chế tạo thành các
loại nh sau:
SV: Nguyễn Thị Nhung Lớp K9B
13
Đồ án tốt nghiệp

II.2.3. Các yêu cầu chung đối với các nguồn hàn hồ quang
a. Điện áp không tải để mồi đợc hồ quang
- Khi nguồn hàn 1 chiều có điện cực là
+ Kim loại: U
omin
= (30 ữ 40)V
+ Điện cực than: U
omin
= (44 ữ 55) V
- Khi nguồn hàn là xoay chiều:
+ U
omin
= ( 50ữ 60)V

14
Chỉnh l u hàn
Cầu
1
pha
Cầu
3 pha
Dùng
xêlen
Dùng
Điốt
Không
điều
khiển
Có
điều
khiển
Đồ án tốt nghiệp
e. Đặc tính Volt Ampe
- Nguồn hàn dùng cho phơng pháp hàn hồ quangbằng tay phải có đặc tính
dốc.
- Nguồn hàn dùng cho phơng pháp hàn hồ quang tự động và bán tự động
phải có đờng đặc tính ngoài cứng.
II.3. Nguồn hàn hồ quang 1 chiều chỉnh lu có điều khiển.
II.3.1. Đặc tính nguồn hàn:
* Hồ quang hàn do nguồn điện của máy chỉnh lu tạo nên. Chế độ hàn của
hồ quang đợc đặc trng bởi cờng độ dòng điện I
hàn
, điện áp hồ quang (U
hq

tăng và trở về với chiều dài ban đầu. Quá trình tơng tự sảy ra khi tăng chiều dài
của hồ quang. Hiện tợng này gọi là hiện tợng điều chỉnh của hồ quang đối với hệ
tự điều chỉnh ngời ta sử dụng nguồn có đặc tính thoải.
Chẳng hạn khi hàn hồ quang bằng tay ngời ta sử dụng nguồn hàn có đặc
tính dốc (1), điều này cho phép thợ hàn thay đổi hồ quang mà không sợ hồ quang
tắt hoặc tăng quá mức dòng điện hàn, còn khi hàn tự động đờng đặc tính là đờng
(3), hàn bán tự động là đờng (2).
Mấy năm gần đây nhiều nớc thờng chế tạo nguồn hàn hồ quang 1 chiều
vạn năng đó là nguồn hàn 1 chiều dùng bộ chỉnh lu có điều khiển để chế tạo ra
học đặc tính ngoài phù hợp với cả 3 chế độ làm việc của hàn hồ quang: bằng tay,
tự động và bán tự động. Để tạo ra học đặc tính ngoài dốc dùng cho chế độ hàn
tay trong mạch điều khiển khối chỉnh lu có mạch phản hồi âm dòng điện. Còn
cho chế độ hàn bồ quang tự động có mạch phản hồi âm điện áp.
SV: Nguyễn Thị Nhung Lớp K9B
16
Đồ án tốt nghiệp
Chơng III
Thiết kế mạch động lực
III.1. Chọn phơng án
+ Chỉnh lu 1 pha thờng đợc chọn khi nguồn cấp là lới điện 1 pha, hoặc
công suất không quá lớn so với công suất lới ( làm mất đối xứng điện áp lới) và
tải không có yêu cầu cao về chất lợng điện áp một chiều.
+ trong khi đề tài này lại có nguồn cấp là lới điện 3 pha công nghiệp.
Chính vì vậy ta chỉ có thể chọn phơng án dùng chỉnh lu ba pha.
Chỉnh lu 3 pha gồm có
+ Mặt khác yêu cầu của đồ án là nguồn hàn hồ quang 1 chiều 500A
thyristor vì vậy ta không xét đến chỉnh lu 3 pha có điều khiển dùng đi ốt. Ta xét
2 phơng án.
III.1.1. Chỉnh lu tia 3 pha có điều khiển
A

Chỉnh l u cầu 3 pha có điều khiển
Chỉnh l u cầu 3 pha dùng đi ốt
Chỉnh l u cầu 3 pha có điều khiển
Chỉnh l u cầu 3 pha có điều khiểnkhông đối xứng
Chỉnh l u tia 3 pha có điều khiển
Chỉnh l u cầu 3 pha có điều khiển
Chỉnh l u cầu 3 pha có điều khiển không đối xứng
Đồ án tốt nghiệp
+ trong khoảng
1
ữ
2
U
a
dơng nhất . Nếu Thyristor V
1
nhận đợc tín hiệu
điều khiển tại thời điểm
1
+ , V
1
sẽ mở thông, nối tải với điện áp pha a, U
d
=
U
a
.
+ Tại thời điểm
2
+ , V

+ Với 30
0
U
d

=


coscos
2
33
02 d
m
UU =
Nh vậy khi dòng tải là liên tục, U
d

đợc biểu diễn bởi biểu thức chung là
U
d

= U
d0
cos.
+ Với 30
0
U
d

=





mm
UdSinU
Khi =
6
5

hay = 150
0
ta có U
d

= 0
Vậy với tải thuần trở nếu góc thay đổi từ 0 ữ 150
0
thì U
d

thay đổi từ U
d0
đến 0.
SV: Nguyễn Thị Nhung Lớp K9B
18
Đồ án tốt nghiệp
0
0
0

0
0
0
0
0
0
i
V1
V2
V3
U
V1
U
d
Hình III.2. Đồ thị dạng dòng điện, điện áp tải thuần trở
2. Xét tải trở cảm L
1
=

+ Khi điện cảm tải coi là vô cùng lớn dòng tải là liên tục và đợc là phẳng
hoàn toàn. Vì vậy các thyristor sẽ tiếp tục dẫn dòng khi điện áp pha đã đổi cực
tính tại . Với góc điều khiển > 30
0
trên đờng điện áp U
d
sẽ xuất hiện phần âm.
Mỗi van trên sơ đồ sẽ dân dòng có giá trị I
d
trong khoảng =
3

3

4

5

6

7
U
a
U
b
U
c

U
d
V3 V1 d V3
ii
V2 0
Hình III.3. Đồ thị dạng dòng điện, điện áp tải trở cảm
III.1.2. Chỉnh lu cầu 3 pha có điều khiển.
a
b
c
Z
t
U
d

, V
5
đợc điều khiển với góc so với các điểm chuyển
mạch tự nhiên.
+ Đờng bao phía dới của các đờng điện áp pha cho ta hình dạng thế của
điểm ra tải Q khi V
2
, V
4
, V
6
đợc điều khiển với góc so với các điểm chuyển
mạch tự nhiên.
+ Dạng thế của P và Q so với điểm trung bính của nguồn giống với dạng
điện áp ra của các chỉnh lu 3 pha hình tia. Nếu đo điện áp giữa P và Q ta có đợc
biểu diễn trên hệ thống điện áp dây U
ab
,U
ac
, U
bc
.
+ Với tải thuần trở dạng dòng trên tải lặp lại giống nh dạng điện áp U
d
. Vì
vậy với góc điều khiển 30
0
dòng trên tải là liên tục ta có: 0 30
0
; U

U
U
d

= 0 khi =
3
2

Nh vậy với tải thuần trở khi = 0 ữ
3
2

SV: Nguyễn Thị Nhung Lớp K9B
21
Đồ án tốt nghiệp
0
0
0
0
0
0
0
0
0
Xung lập lại
điều khiển xung rộng
0
0
0
U

ca
U
cb
U
ab

1

2

3

4

5

6

7
U
a
U
b
U
c

=45
0
Hình III.5. Đồ thị dòng điện, điện áp tải thuần trở
2. Tải trở cảm L

+ Với dòng tải là liên tục ta luôn có:
SV: Nguyễn Thị Nhung Lớp K9B
22
Đồ án tốt nghiệp
U
d

= U
d0
cos
Vậy với tải trở cảm thì phạm vi điều chỉnh của góc là từ 0
0
đến 90
0
.
0
0
0
0
0
0
U
ng max
U
ab
U
ac
U
V1
U

a
U
b
U
c

=750
0
Hình III.6. Đồ thị dạng dòng điện, điện áp tải trở cảm
SV: Nguyễn Thị Nhung Lớp K9B
23
Đồ án tốt nghiệp
III.1.3. Chỉnh lu cầu 3 pha không đối xứng.
a
b
c
Z
t
V
1
V
3
V
5
D
4
D
6
D
2

T
6
T
2
Tải
i
g2
i
g3
i
g1
i
L
i
1
i
4
U
b
U
c
U
a
i
Hình III.8. Chỉnh lu cầu 3 pha có điều khiển
* Nguyên lý hoạt động
- Đây là chỉnh lu 3 pha hình cầu hai nửa chu kỳ với 2 nhóm T
1
, T
3

a
> 0.
+ T
1
mở làm cho T
3
bị khoá 1 cách tự nhiên vì U
a
> U
c
.
+ Tại T
6
và T
1
dẫn

và điện áp trên tải là: U
L
= U
d
= U
a
U
b
.
+ Tạo t
2
= 3/6 + cho xung mồi để mở T
2