MỤC LỤC
Mục lục………………………………………………………………………….1
Lời giới thiệu……………………………………………………………………3
Chương 1. Tổng quan về công nghệ hàn điện
1.1.Lịch sử phát triển của ngành hàn
1.1.1. Lịch sử phát triển của ngành hàn trên thế giới 4
1.1.2. Lịch sử phát triển ngành hàn của Việt Nam 4
1.2. Phân loại các phương pháp hàn hiện nay
1.2.1. Phân loại theo dạng năng lượng sử dụng 5
1.2.2. Phân loại theo trạng thái kim loại ở thời điểm hàn 5
1.2.3. Phân loại các liên kết hàn 5
1.3. Bản chất, đặc điểm và ứng dụng của hàn kim loại
1.3.1. Bản chất 6
1.3.2. Đặc điểm 6
1.3.3. Ứng dụng 7
Chương 2. Thiết kế trang bị điện - điện tử điều khiển cho máy hàn tự động
2.1. Khái niệm chung về hàn tự động
2.1.1. Khái niệm 8
2.1.2. Đặc điểm 8
2.1.3. Phân loại 8
2.2. Hàn tự động và bán tự động dưới thuốc
2.2.1. Phạm vi ứng
dụng 9
2.2.2. Công nghệ hàn hồ quang dưới thuốc 9
2.3. Các yêu cầu chung với nguồn hàn hồ quang 12
2.4. Hệ số tiếp điện của nguồn hàn 12
2.5. Máy hàn hồ quang tự động 14
2.5.1. Hệ truyền động dịch điện cực dùng máy phát- động cơ 15
2.5.2. Hệ truyền động dịch điện cực dùng hệ bộ biến đổi T-Đ 16
2.6.Truyền động trong hệ thống truyền động vị trí các trục máy hàn tự động
2.6.1. Động cơ thực hiện truyền động máy hàn tự động 17
- Có độ bền cơ khí cao, chất lượng mối hàn tốt
- Giá thành hạ, năng suất cao
- Công nghệ hàn đơn giản
- Cải thiện được điều kiện làm việc cho công nhân và dễ tự động hoá
1.1.1. Phân loại các phương pháp hàn điện
Phân loại một cách tổng quan về máy hàn điện như sau:
Hàn điện
Hàn hồ quang Hàn tiếp xúc
Hàn tay Hàn tự động Hàn nối Hàn đường
Dưới lớp
trợ dung
Trong ga
bảo vệ
Một điểm hai
mặt
Hai điểm
một mặt
Hình 1.1. Phân loại các phương pháp hàn điện
1.1.2. Các yêu cầu chung đối với nguồn hàn hồ quang
* Điện áp không tải đủ lớn để mồi hồ quang
Khi nguồn hàn là một chiều với điện cực là :
- Kim loại: U
omin
= (30÷40)V
- Điện cực than U
omin
= (45÷55)V
Khi nguồn hàn là xoay chiều : U
omin
dòng điện hàn phụ thuộc vào đường kính que hàn. Dòng điện hàn được tính theo
biểu thức sau :
I
h
=(40÷60).d (1-2)
Trong đó :
I
h
: Dòng điện hàn
[ ]
A
d : Đường kính que hàn
[ ]
mm
* Đường đặc tính ngoài (hay còn gọi là đường đặc tính Vôn-Ampe) của
nguồn hàn đáp ứng theo từng loại phương pháp hàn
- 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 có đường đặc
tính ngoài cứng
1.1.3. Hệ số tiếp điểm của nguồn hàn
Máy hàn là một thiết bị làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại. Thời gian làm
việc dài nhất của máy hàn là thời gian hết một que hàn (ζ
1
). Thời gian nghỉ ngắn
nhất là thời gian đủ để thay que hàn và mối được hàn hồ quang (ζ
2
)
Đối với nguồn hàn dùng cho máy hàn hồ quang tự động, thời gian làm việc
dài nhất là thời gian hết một lô điện cực trên máy, còn thời gian nghỉ ngắn nhất
Tính một cách gần đúng có thể coi hệ số k hầu như không đổi k = const. Từ
biểu thức (1-3) ta có :
0,24I
2
Rζ
1
= k(ζ
1
+ζ
2
) (1-4)
==
+ R
k
I
24,0
21
1
2
ζζ
ζ
const (1-5)
Trong đó : Tỉ số
21
1
ζζ
ζ
+
được biểu diễn bằng hệ số TĐ% là hệ số tiếp điện
tương đối của nguồn hàn hồ quang
1.2. Các nguồn hàn hồ quang
1.2.1. Các nguồn hàn hồ quang xoay chiều
Nguồn hàn hồ quang thường dùng biến áp hàn vì có những ưu điểm nổi bật
sau:
- Dễ chế tạo, giá thành hạ
- Có thể tạo ra dòng điện lớn
Biến áp hàn phổ biến là biến áp hàn một pha, có khi là ba pha. Thông
thường máy biến áp hàn ba pha dùng cho nhiều đầu hàn. Về cấu tạo, máy biến
áp hàn thường chế tạo theo hai kiểu :
+ Máy biến áp hàn với từ thông tản bình thường : nó được chế tạo như hai
thiết bị riêng lẻ, lắp ráp trong một vỏ hộp chung, gồm một biến áp hàn một cuộn
kháng
+ Máy biến áp hàn với từ thông tản tăng cường, được chế tạo theo các kiểu
sau :
- Có cuộn thứ cấp di động
- Có sơn từ
- Điều chỉnh theo cấp
1. Biến áp có cuộn kháng
Biến áp hàn loại này, ngoài lõi thép chính của máy biến áp còn có một cơ
cấu phụ gọi là cuộn kháng ngoài
Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý máy biến áp hàn có cuộn kháng ngoài
a
W
ck
W
2
W
hq
: Điện áp xoay chiều
U
ck
: Điện áp rơi trên cuộn kháng
U
ck
= I
2
.r
ck
+ j.I
2
.x
ck
≈
ω.L.I
2
(1-10)
Vì r
ck
rất nhỏ nên có thể bỏ qua. Trong đó r
ck
là điện trở thuần của cuộn
kháng, x
ck
là điện kháng của cuộn kháng. Trong quá trình làm việc, I
2
tăng làm
tăng khe hở mạch từ a, từ trở mạch từ R
m
tăng, điện cảm L giảm và dòng điện
ngắn mạch I
n.m
tăng lên. Với cách lập luận trên ta có được họ đặc tính ngoài trên
hình 1-3
U
U
0
a
3
a
2
a
1
I
I
nm3
I
nm2
I
nm1
a
1
< a
2
< a
3
Hình 1.3. Họ đặc tính ngoài của máy biến áp hàn có cuộn kháng
Điện áp hồ quang bằng :
U
hq
= U
2
+ U
ck
– U
r
= U
2
+ U
ck
– I
2
(x
2
+ x
ck
) (1-14)
Khi dòng điện I
2
tăng đến trị số I
2
= I
nm
thì điện áp hồ quang bằng không
(U
hq
= 0). Lúc này dòng điện ngắn mạch bằng :
chiều có hai loại :
- Bộ biến đổi quay (máy phát hàn một chiều)
- Bộ biến đổi tĩnh ( bộ chỉnh lưu)
a
3
a
2
a
1
I
I
nm3
I
nm2
I
nm1
a
1
< a
2
< a
3
U
U
01
U
02
U
03
3
dầu
hàn
Đặt
cố
định
Truyền
động
bằng
động
cơ điện
Di
động
Lắp
trong
một
vỏ
Kích
từ
song
song
Kích
từ
độc
lập
Lắp
trong
hai
vỏ
Mộ
t
2
= 0 và sức điện động của máy phát bằng :
E
0
= K
e
Φω (1-16)
Trong đó :
K
e
: Hệ số cấu tạo của máy phát
Φ
1
: Từ thông sinh ra trong cuộn W
1
ω : Tốc độ quay của phần ứng
- Khi có tải :
U
hq
= E – IR
F
= K
e
(Φ
1
– Φ
2
)ω – IR
F
(1-17)
nm1
W
21
> W
22
U
21
I
I
kt1
< I
kt2
< I
kt3
3
Máy phát hàn một chiều có cực từ rẽ tạo ra đặc tính ngoài dốc do tác dụng
khử từ của từ thông sinh ra trong cuộn dây phần ứng cử máy phát (phản ứng
phần ứng). Máy phát có hai cuộn kích từ ; cuộn kích từ chính W
1
và cuộn phụ
W
2
. Máy phát có 4 cực từ N
1
, N
2
, S
1
, S
2
n
(1-19)
Sức điện động tổng của máy phát bằng
E
AC
= U
Az
+ U
cz
= C
d
Ф
d
+C
n
Ф
n
(1-20)
- 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 Ф
n
và ngược chiều với từ thông dọc Ф
d
. Các thanh dẫn của phần
ứng trong các góc phần tư AOZ và DOC, tạo ra từ thông bù thêm cho từ thông
trong cuộn kích từ W
1
. Các thanh dẫn của phần ứng nằm trong góc phần tư ZOC
và AOD tạo ra từ thông ngược chiều với từ thông trong cuộn kích từ phụ W
zc
hầu như không tăng vì không tăng vì mạch từ đã bảo hoà
U
zc
=C
n
Ф
n
≈
const. Như vậy điện áp kích từ lấy trên hai chổi than C, Z không phụ
thuộc vào sự biến động của phụ tải, còn điện áp lấy trên hai chổi than A, C thay
đổi theo phụ tải
U
AC
= U
AZ
+ U
ZC
= C
d
(Ф
d
– Ф
pư
) + U
ZC
– IRư (1-22)
Khi dòng hàn tăng, phản ứng phần ứng tăng làm cho điện áp U
CA
giảm xuống.
- Không có phần quay
- Hiệu suất cao, chi phí vận hành, bảo dưỡng và sửa chữa thấp
Nguồn hàn một chiều dùng chỉnh lưu gồm hai bộ phận chính : Máy biên áp
hàn và bộ chỉnh lưu. Nguồn hàn một chiều dùng bộ chỉnh lưu được chế tạo
thành các loại như trên hình 1-11
Chỉnh lưu hàn
Cầu
một
pha
Có
điều
khiể
n
Cầu
ba
pha
Dùn
g
xêlen
Không
điều
khiển
Dùn
g
điốt
Hình 1-11. Các loại nguồn hàn một chiều dùng bộ chỉnh lưu
CHƯƠNG 2
THIẾT KẾ TRANG BỊ ĐIỆN ĐIỆN TỬ MÁY HÀN TỰ ĐỘNG
2.1. Khái quát chung của máy hàn tự động
Với sự phát triển của kĩ nghệ hàn, gia công sắt thép bằng phương pháp hàn,
hai chế độ bằng chuyển mạch CM
2.1.1. Hệ truyền động dịch điện cực dùng máy phát - động cơ (F-Đ)
CHƯƠNG 2
THIẾT KẾ TRANG BỊ ĐIỆN - ĐIỆN TỬ CHO MÁY HÀN TỰ ĐỘNG
2.6. Truyền động trong hệ thống truyền động vị trí các trục của máy hàn tự
động
2.6.1. Động cơ thực hiện truyền động máy hàn tự động
Động cơ thực hiện truyền động máy hàn tự động là động cơ tiếp xúc một
chiều
Khác với động cơ điện một chiều bình thường, động cơ không tiếp xúc một
chiều có phần ứng đứng yên nằm trên stator và phần cảm quay đặt trên rôtor
.Trên hình (H.2.1.a) là mô hình của động cơ bình thường còn hình (H.2.1.b) là
mô hình của động cơ không tiếp xúc
Stator của động cơ không tiếp xúc được ghép từ các lá thép kĩ thuật điện
.Trong các rãnh của stator đặt trong cuộn ứng (2) giống như trong rãnh của phần
ứng bình thường. Phần cảm của động cơ bình thưòng là nam châm vĩnh cửu
(3). . Để đơn giản hoá có thể mô hình hoá bộ phận đổi chiều điện tử bằng giá đỡ
chổi than (4) và chổi than (5) đặt trên rôtor
Trong động cơ không tiếp xúc, cuộn ứng đứng yên nên đổi bộ phận đổi
chiều dễ dàng được thay thế bằng bộ điện tử, được điều khiển bởi bộ cảm biến
vị trí trên trục động cơ. Nhờ vậy, bộ đổi chiều điện tử có thể đảm bảo sự thay
đổi dòng điện trong cuộn ứng khi rôtor quay tương tự như vành góp chổi than
Động cơ không tiếp xúc một chiều có cấu tạo từ ba thành phần như trên
hình (H.3.2)
Phần 1: Động cơ không tiếp xúc với cuộn ứng một pha trên stator và rôtor
kích thích bằng nam châm vĩnh cửu
Phần 2 : Cảm biến vị trí rôtor, đặt cùng vỏ máy với động cơ, thực hiện chức
năng tạo tín hiệu điều khiển nhằm xác định thời điểm và thứ tự đổi chiều
Phần 3 : Bộ đổi chiều tiếp xúc, thực hiện đổi chiều dòng điện trong cuộn
ứng trên stator theo tín hiệu điều khiển của cảm biến vị trí rôtor
.
.2
a
pN
KE ==
(1)
Với
p
- số đôi cặp từ chính
N
- số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng
a
- số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng
K
- hệ số cấu tạo của động cơ
φ
- từ thông kích từ dưới một cực từ
ω
-tốc độ quay của động cơ
Dạng phương trình cân bằng điện áp khi chuyển sang toán tử Laplace
u
u
u
u
uuuu
R
L
p
REU
dt
d
JMM
c
ω
+=
Với
c
M
- mômen cản trên trục động cơ
J
- mômen quán tính của động cơ
+ Phương trình động học khi chuyển sang dạng toán tử Laplace
ω
pJMM
c
+=
(4)
Jp
MM
c
+
−
=⇒
1
ω
(5)
df
vì tần số làm
việc của bộ băm xung vào khoảng 300 ÷400 Hz nên chu kỳ xung là rất nhỏ so
với hằng số thời gian điện từ và của mạch lực, do đó có thể thay thế bằng mô
hình toán tính hoá với thời gian trễ bằng một nửa chu kỳ xung điều chế, T
v0
=
f2
1
trên hình (H.3.4)
Hàm trễ này có thể coi gần đúng là khâu quán tính, việc thay thế này đủ
chính xác khi tần số băm đủ lớn
W
bd
( )
p
=e
0v
pT−
=
bd
pT+1
1
Trong đó ; T
bd
là hằng số thời gian của bộ biến đổi .
2.6.3. Các cảm biến.
a.Các cảm biến đo dòng
i
i
pT
K
+1
Trong đó :
K : là hệ hệ số tỷ lệ
T
i
= RC : là hằng số thời gian bộ lọc
b. Cảm biến đo tốc độ
* Nhiệm vụ : Đo tốc độ góc của động cơ và gửi đến bộ vi xử lí
Nó là bộ đo tốc độ bằng xung số, mỗi vị trí góc đo ứng với sự phối hợp các
tín hiệu 0 hoặc 1
* Cấu tạo : Gồm có bộ phát ánh sáng, bộ phát hiện và mã hoá quang điện. Bộ
phát hiện quang điện có nhiệm vụ thu ánh sáng và phát thành tín hiệu điện
*Nguyên lí hoạt động : Bộ mã hoá quang điện có liên hệ cơ khí với động cơ trên
đó có gắn đĩa. Đĩa gồm có các phần mờ và trong suốt liên tiếp và nhiều đường,
mỗi đường lại gồm nhièu phần tử, ánh sáng do điôt phát quang quét qua lỗ của
đĩa tạo nên ở điôt quang điện tín hiệu tương tự. Tín hiệu này lại được chuyển
thành tín hiệu chữ nhật và được truyền về bộ vi xử lí.c Tại đây tín hiệu chữ nhật
được phân tích theo chương trình cài đặt sẵn, từ đó nó cho biết tốc độ thực của
động cơ. Tốc độ thực này được so sánh với tốc độ đặt tín hiệu được điều chỉnh
đưa vào bộ điều chỉnh tốc độ
Đĩa quay của bộ mã hoá gồm (n) đường, mỗi đường có hệ thống đọc riêng
(điôt phát và điôt thu ). Mỗi vị trí góc của trục bộ mã hoá ứng với một mã hoá
nhị phân hình (H.3.7)
Mã nhị phân
B1 B2 B3
như sau :
W
cb
ϕ
=
ϕ
pT+1
1
Trong đó : T
ϕ
là hệ số thời gian của cảm biến vị trí
2.7. Các bộ điều chỉnh sử dụng trong máy hàn tự động
Đặt vấn đề
Hệ thống truyền động trục chính là hệ thống điều khiển hoạt động phụ
thuộc vào chế độ hoạt động của hệ thống truyền động ăn dao. Cho nên phải đỏi
hỏi truyền động trục chính phải đảm bảo ổn định tốc độ hoạt động .Ngoài ra đây
còn là hệ thống điều khiển tự động nên bên cạnh yêu cầu về độ chính xác nó
còn yêu cầu về độ tác động nhanh
Ta thấy trong hệ thống điều khiển vị trí có ba loại bộ điều chỉnh : bộ điều
chỉnh dòng điện (Ri), bộ điều chỉnh tốc độ (Rw) : bộ điều chỉnh vị trí (Rv). Các
hệ thống điều chỉnh tự động trong công nghiệp thường sử dụng các thiết bị điều
chỉnh chuẩn sau : bộ điều chỉnh khuyếch đại (P), bộ điều chỉnh tích phân (I), bộ
điều chỉnh vi phân (D), bộ điều chỉnh kết hợp khuyếch đại - vi phân (PD), bộ
điều chỉnh kết hợp khuyếch đại - tích phân (PI), bộ điều chỉnh kết hợp khuyếch
đại - vi tích phân (PDI)
2.7.1. Bộ điều chỉnh tỷ lệ (P)
Ưu điểm của bộ tỷ lệ là tốc độ tác động nhanh, nghĩa là khi có tín hiệu vào
thì lập tức có tín hiệu ra, tín hiệu ra luôn luôn trùng pha với tín hiệu vào. Hệ số
sử dụng bộ tỷ lệ luôn luôn có cấu túc ổn định
Nhược điểm của bộ điều chỉnh này là khi làm việc với đối tượng tĩnh -đối
i
gọi là hệ số tích phân
2.7.3. Bộ điều chỉnh vi phân
Ưu điểm của bộ điều chỉnh vi phân là tốc độ điều chỉnh nhanh (nhanh hơn
bộ điều chỉnh tỉ lệ), về mặt lý thuyết thì tín hiệu ra nhanh hơn tín hiệu vào một
góc nhưng trong thực tế không tồn tại bộ vi phân độc lập, mà chỉ có bộ tỷ lệ vi
phân (PD) hay tỷ lệ vi tích phân (PID)
Nhược điểm của bộ điều chỉnh vi phân là phản ứng nhanh và mạch với
nhiễu cao tần của từ trường bên ngoài tác động vào
Mô hình toán của bộ điều chỉnh vi phân :
W
D
(p) =K
D
.
p
1
Trong đó : K
D
gọi là hệ số vi phân
2.7.4. Bộ điều chỉnh tích phân tỷ lệ (PI)
Do kết hợp hai bộ điều chỉnh tỷ lệ và điều chỉnh tích phân nên bộ điều
chỉnh tỷ lệ tích phân có ưu điểm tác động nhanh của quy luật tỷ lệ (do tác động
của bộ (PI) nhanh hơn bộ điều chỉnh I nhưng chậm hơn bộ điều chỉnh P) và triệt
tiêu được sai lệch của quy luật tích phân. Tuy nhiên để hệ thống làm việc tốt hơn
phải chọn các thông số tỷ lệ và tích phân thích hợp
Tín hiệu ra của bộ điều chỉnh PI chậm pha so với tín hiệu vào của nó một
góc nằm trong khoảng 0< φ(ω) < Л/2
Mô hình toán của bộ điều chỉnh PI là :
W
< φ(ω)<
2
π
Trên quan điểm lý thuyết với sự lựa chọn thích hợp của ba thông số điều
chỉnh (hệ số khuyếch đại, hằng số thời gian tích phân, hằng số thời gian vi phân)
thì bộ điều chỉnh PID đáp ứng được hầu hết các yêu cầu về chất lượng của quá
trình điều chỉnh. Nhưng trên thực tế bộ điều chỉnh PID rất ít khi được sử dụng,
nó chỉ được sử dụng khi bộ điều chỉnh PI không đáp ứng được yêu cầu chất
lượng điều chỉnh vì những lí do sau :
- Khi sử dụng bộ điều chỉnh PID đòi hỏi người điều chỉnh phải có một trình
độ hiểu biết nhất định về cấu trúc của thiết bị điều chỉnh
- Thành phần vi phân phản ứng rất mạnh đối với nhiễu cao tần do các từ
trường xoay chiều sinh ra trong các mạch điện
- Cấu trúc của thành phần vi phân rất phức tạp nên khó chế tạo, khó điều
chỉnh
Mô hình toán của bộ điều chỉnh PID là :
W
PID
= K
p
+ K
i
P
1
+K
D
P
Vị vậy để đáp ứng được các yêu cầu chất lượng của hệ thống cũng như tính
ứng dụng thực tiễn ta sử dụng bộ điều chỉnh PI cho mạch vòng dòng điện và
mạch vòng tốc độ, sử dụng bộ điều chỉnh PD cho mạch vòng vị trí, do đó mô
(P) = P
v
+ D
v
.s
2.8. Mô phỏng hệ thống truyền động điện máy hàn bằng máy tính
2.8.1. Tổng hợp mạch vòng của hệ thống dưới dạng hàm truyền
a. Tổng hợp mạch vòng dòng điện
H.Cấu trúc mạch vòng điều chỉnh dòng điện
- Trong đó :
i
R
- Bộ điều chỉnh dòng điện
)1)(.1( pTpT
K
vdk
cl
++
- Hàm truyền của bộ chỉnh lưu
Với
cl
K
- Hệ số khuếch đại chỉnh lưu
dk
T
- Hằng số thời gian mạch điều khiển chỉnh
- Sơ đồ thu gọn
H. Sơ đồ thu gọn của mạch vòng dòng điện
pT
R
u
u
.1
/1
+
pTi
K
i
.1
+
id
U
I
i
U
−
φ
K
Jp
1
φ
K
E
−
C
M
−
i
=
Áp dụng tiêu chuẩn môdul tối ưu ta có :
22
.2.21
1
pp
FF
MC
ττ
++
==
⇒
)1(
1
1
0
−
=
−
MC
i
i
FS
R
Thay các giá trị
MCi
FS ;
0
vào ta có :
).1(.2
21
1
+
=
(đã bỏ qua thành phần bậc cao T
si
2
p
2
)
* Tính chọn bộ điều khiển dòng
- Tốc độ góc của rôto :
55,9
dm
dm
n
=
ω
)/(157
55,9
1500
srad==
- Mômen :
dm
dm
dm
P
M
ω
=
−=
)(16,0
2,68
220
).9,01.(5,0 Ω=−=
- Hằng số thời gian mạch phần ứng
)(25,1 s
R
L
T
u
u
u
==
Copyright: Tài liệu đại học ©