Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hưng– Lớp TĐH2 – K46
CHƯƠNG 2 : THIẾT KẾ MẠCH LỰC

I Sơ đồ và nguyên lý hoạt động:
1. Sơ đồ
2. Nguyên lý hoạt động
Để cung cấp nguồn điện cho hàn hồ quang, ta sử dụng sơ đồ chỉnh lưu một pha
hai nửa chu kì có điểm giữa.
II. Tính toán các thông số cơ bản của mạch:
Theo đề ra ta có các thông số :
+) Nguồn điện xoay chiều: 380 V, 50 Hz
+) Điện áp hở mạch: U
hh
= 60 (V)
+) Dòng điện cực đại: I
max
= 600 (A) ( = 240)

a) Điện áp:
- Điện áp chỉnh lưu không tải (hở mạch) sẽ là:
U
d
= U
do
. Cosỏ
o
= U
ho

o
= 60. 1,055 + 1,5 = 64,8 (V)
→ U
do
= 2. 64,8 = 129,6 (V)
- Điện áp thứ cấp MBA:
U
2
=
22.
.U
π
do
= 144 (V)
- Tỷ số MBA:
m =
1
2
U
U
=
380
144
= 0,38
- Điện áp ngược lớn nhất mà mỗi Thyristor phải chịu:
- 1 -
Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hưng– Lớp TĐH2 – K46
U
m
= 2

= m.I
2max
= 0,38.424 = 161 (A) (0,38. 170 = 65A)

III. Chọn Thyristor :
Tính toán ở trên có : U
ngmax
= 407,3 (V)
I
tbmax
= 300 (A) 120A
- Chọn điều kiện làm việc của van là tốt với cánh toả nhiệt và quạt đối lưu không
khí. Trong điều kiện đó có :
Hệ số dự trữ điện áp k
u
= 1,6
Hệ số dự trữ về dòng điện k
i
= 1,2
- Do vậy phải chọn Thyristor ít nhất chịu được
U
ng
= 1,6 . 407,3 = 652 (V)
I
tb
= 1,2 . 300 = 360 (A) (1,2. 120 =144A)
- Tra bảng ta chọn được Thyristor SC150C80 với các thông số sau:
Điện áp ngược cực đại của van : U
ngmax
= 800 V

=
IV. Thiết kế máy biến áp:
U
1
= 380 (V) I
1
= 161 (A) 65
U
2
= 144 (V) I
2
= 424 (A) 170
- Công suất biểu kiến máy biến áp phía thứ cấp :
S
2
= U
2
. I
2
= 144.424 = 61056 (VA) 144.170 = 24480
- Công suất biểu kiến máy biến áp phía sơ cấp :
S
1
= U
1
. I
1
=380 . 161 = 61180 (VA) 380.65 =24700
⇒ Công suất biểu kiến máy biến áp :
- 2 -

+) c : số trụ của MBA ( 3 pha: c=3; 1pha c = 1)
+) f = 50 Hz tần số nguồn điện xoay chiều.
Q
Fe
=
50
61118
6
= 210 [cm
2
] 24590/50 căn 22,176
b) Tính toán dây quấn:
- Chọn vật liệu là các lá tôn Silic dày 0,5 mm , tổn thất 1,3 W/kg , trọng
lượng riêng 7,5 kg/dm
3
.
Chọn mật độ từ cảm trong trụ B = 1,1 T
-Số vòng dây mỗi cuộn tính theo công thức:

BQf
U
W
Fe
44,4
=
=
1,1.021,0.50.44,4
U
= 0,195.U / 0.0022 =1,8 U
U: điện áp rơi trên cuộn dây

S
Cu
(mm
2
) 65/3 =22 mm2

Tiết diện dây thứ cấp :
141
3
424
2
2
===
J
I
S
Cu
(mm
2
) 170/ 3 =56,5 mm2
c) Tính kích thước mạch từ:
- Chọn trụ có hình chữ nhật :
Q
Fe
= a.b
- Diện tích cửa sổ của mạch từ:
Q
cs
= t.h = k
ld

= 0,5 ; l =
a
b
= 1,5
⇒ Q
Fe
= 1,5.a
2
⇒ a = 12 (cm)
⇒ b = 18 c = 6;
h = 30 t = 7 (cm)

d) Kết cấu dây quấn :
-Dây quấn được bố trí theo chiều dọc trụ với mỗi cuộn dây được cuốn thành
nhiều lớp dây, mỗi lớp dây cách điện với nhau bằng bìa cách điện.
- Tiết diện dây rất lớn, ta chọn tiết diện dây hình chữ nhật .
- Số vòng trên mỗi lớp:
W
L
=
b
r
hh
cd

π
π
2cos2
3
422
2
2
+

khi đó LC sẽ được tính theo công thức:

LC
kn
A
LC
22
ω
=

trong đó: A = 0,425 n = 2
- 4 -
Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hưng– Lớp TĐH2 – K46
k
LC
= tỷ số nhấp nhô
k
LC
=
2
.2 U

56,13
10.76,10.314.2
144.2.45,02
3
2
==
−
ω

Điện áp xoay chiều rơi trên cuộn kháng lọc:
U
CK
= Z
CK
.
2
m
I
= 65 V
Công suất của cuộn kháng lọc:
S
CK
= U
CK
.
2
m
I
= 623 VA
- Chọn lõi thép hình chữ ỉ. Tiết diện trụ:

II
- chọn mật độ dòng điện J = 3 A/mm
2
→ tiết diện dây : S
CK
= 200 mm
2
→ d = 15 mm

VI.Thiết kế các thiết bị bảo vệ:
1. Bảo vệ quá nhiệt độ cho van:
-Khi làm việc với dòng điện chạy qua trên van có sụt áp, do đó có tổn hao công
suất sinh nhiệt đốt nóng van. Mặt ghép là nơi bị đốt nóng nhiều nhất.
Van bán dẫn chỉ được phép làm việc ở nhiệt độ cho phép nào đó tuỳ thuộc loại van.
Đối với bán dẫn Ge: T
cp
= 80 ữ 100 ; Si: T
cp
= 150ữ200 .
- Việc làm mát có ảnh hưởng lớn tới dòng làm việc cho phép của van. Với dòng
khá lớn:
Không có toả nhiệt : I
lv
< 10%I
dm
Toả nhiệt bằng cánh toả nhiệt đồng, nhôm : I
lv
< 40%I
dm
Toả nhiệt bẳng cánh và quạt thổi gió : I


- 6 -
Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hưng– Lớp TĐH2 – K46 Chương 3 .Thiết kế mạch điều khiển

đk
so sánh với điện áp tựa U
tựa
. Tại thời
điểm cân bằng của hai điện áp thì phát xung điều khiển. Thyristor sẽ được mở từ thời
điểm có xung điều khiển cho đến hết nửa cuối chu kì.
Góc điều khiển α được xác định theo biểu thức
max
.
tua
dk
U
U
π
α
=
. Bằng cách thay đổi
U
đk
từ 0 đến U
tựa max
sẽ thay đổi được góc α, do đó thay đổi được U
d2. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos:
Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos được thể hiện trên hình vẽ:

và u
đk
vào cổng đảo và không đảo của bộ so sánh. Tại thời điểm u
đk
=u
đb

ta nhận được một xung ra rất mảnh ở đầu ra của khâu so sánh. Góc điều khiển α được
xác định theo biểu thức:
U
m
. cosα = U
đk
.
⇒ α =
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
m
dk
U
U
arccos

Bằng cách thay đổi U

sánh
Dạng
xung
Khuếch
đại
xung

U
tựa
pha
Bộ
điều
khiển
U
đặt
U
ph
U
đk
Khâu này thường sử dụng biến áp đồng pha hoặc phần tử ghép quang.
a)Sử dụng máy biến áp đồng pha: u
1
~
u
2
- 10 -
Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hưng– Lớp TĐH2 – K46
Đặt điện áp u
1
= U
1m
. sinωt vào cuộn dây sơ cấp thì bên phía thứ cấp xuất hiện
điện áp xoay chiều u
2

,T0 ,do đó U
đf
=0.
Trong nửa chu kì âm của nguồn thì D0 khoá làm cho T0 khoá, do đó U
đf
= E
Trong đồ án này chọn khâu đồng pha là máy biến áp đồng pha

2. Khâu tạo điện áp tựa:
Nguyên tắc của việc tạo điện áp răng cưa là dựa vào sự phóng nạp của tụ C qua
một mạch nào đó. Quan hệ dòng và áp trên tụ C có dạng:
i
c
(t) = C.
dt
tdU
c
)(

Để U
c
(t) tuyến tính phải có điều kiện là : C và i
c
(t) là các hằng số.
Các mạch thông dụng dùng dùng trandito:

- 11 -
Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hưng– Lớp TĐH2 – K46
UrcRăng cưa này có dạng phi tuyến làm cho sự thay đổi của góc α phụ thuộc vào
U
đk
không tuyến tính.
*Với mạch hình b:
Khi u
đf
> 0 ⇒ T thông nên U
tựa
= U
c
= 0.
Khi u
đf
< 0 ⇒ T khoá, có sơ đồ thay thế như sau:

- 12 -
Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hưng– Lớp TĐH2 – K46
Urc

Từ sơ đồ thay thế ta có :
ie = ic + ib ≈ ic
ie = iR3 =
const
R
UE
R

Để xác định thời điểm mở Thyristor ta cần so sánh 2 tín hiệu là U
đk
và U
tựa
.
Việc so sánh 2 tín hiệu này thường được thực hiện bằng khuếch đại thuật toán.
U
tựa
U
đk
+E

-E

U
SS
U
tựa
U
đk
+E

-E

U
SS
So sánh 2 cửa

(U
ramax
).
Lúc U
tựa
< U
đk
thì ΔU < 0 ⇒ U
ss
= -U
ramax
.
*So sánh 1 cửa: thời điểm lật trạng thái là lúc U
N
=U
P
=0
Ta có:
U
N
= U
P
= 0

tuadk
dktua
U
R
R
U

x
≈ 100 ns, nó thường được dùng
cho các mạch chỉnh lưu dạng hình tia, tải thuần trở, tải động cơ.
*Xung kép: là 2 xung đơn, xung đầu tiên xác định góc α, xung thứ 2 đảm bảo
thông mạch van.Loại này hay dùng cho sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha.
*Xung rộng : là xung có độ rộng phụ thuộc vào góc điều khiển α, t
x
=π - α.Nó là
xung vạn năng có thể dùng cho các loại mạch lực và các loại tải xong lại khó thực
hiện việc cách ly.
- 14 -
Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hưng– Lớp TĐH2 – K46
*Xung chùm : là một dạng xung rộng nhưng trong độ rộng (π - α) có một chùm
các xung tần số cao, khoảng 3 ÷ 12 kHz. Nó dễ thực hiện việc cách ly và được ứng
dụng nhiều trong thực tế.
Ta sẽ chọn xung điều khiển có dạng xung chùm.
Xungđơn
Xung kép
Xung rộng
Xung chùm


⎞
⎜
⎝
⎛
+
=
2
1
.21ln 3.2
1
R
R
CR
f
.
Ta sẽ sử dụng vi mạch 555.
5.Khâu khuếch đại xung :
Khâu khuếch đại xung có nhiệm vụ tăng công suất xung để đảm bảo mở chắc
chắn cho van và cách ly mạch lực với mạch điều khiển nếu U
d
< 36V.
Thực tế đa số các van có U
G
= 3 ÷ 7 V và I
G
= 0.1 ÷ 1 A.
Khâu dạng xung cho xung ra có I
ra
= 3 ÷ 10 mA, cho nên mạch khuếch đại xung chủ
yếu là khuếch đại dòng với K

Xung ra có 1 đỉnh rất mạnh làm Thyristor mở chính xác, sau đó giảm hẳn
xuống để duy trì.
b) Khuếch đại xung ghép gián tiếp qua máy biến áp xung:
Sơ đồ:

- 17 -
Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hưng– Lớp TĐH2 – K46 Với sơ đồ trên tụ C1 có vai trò giảm nhỏ công suất toả nhiệt của trandito và giảm
kích thước máy biến áp xung. Trandito chỉ mở cho dòng qua trong thời gian tụ nạp.
Bíên áp xung có nhiệm vụ cách ly mạch lực với mạch điều khiển.
Hoạt động của sơ đồ:
* Udx = 1 → T1 mở → T2 mở nên i
1
=
⎟
⎟

phóng qua R1, i
1
giảm dần i
1
=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
−
τ
1
1.
1
T
e
R
E
.e
-t
trong đó T
1
là thời điểm mà U
DX
= 0

= k. (U
đặt
- U
ph
)
Chọn Ra = Rf ta có U
đk
= U
đặt
- U
ph
.

IV- Sơ đồ mạch điều khiển:
Giải thích hoạt động của mạch:
Điện áp đồng pha vào tại A có dạng hình sin trùng pha với điện áp trên anod
của Thyristor . Trong thời gian U
đf
> 0 thì T
1
thông , U
tựa
= 0.
Trong thời gian U
đf
< 0 thì T
1
khoá ,tại B có điện áp tựa U
tựa
có dạng răng cưa

ss
có giá tri dương
Mạch tạo xung tần số cao 555 cho ta chuỗi xung có tần số từ 3 đến 12kHz (xung
thu được sau mạch 555 chỉ có tính chất định tính).
Hai tín hiệu U
ss
và U
chùm xung
cùng được đưa tới khâu AND 2 cổng vào .Khi
đồng thời có cả 2 tín hiệu dương U
CX
và U
SS
ta sẽ có xung ra U
DX
. Các xung ra làm
T3,T4 thông ,kết quả là ta nhận được chuỗi xung nhọn X
đk
trên biến áp xung để đưa
tới Thyristor
Điện áp U
d
trên T1 sẽ xuất hiện từ thời điểm có xung điều khiển đầu tiên cho đến
thời điểm phát xung vào cực điều khiển của Thyristor 2
Phân tích tương tự cho nửa còn lại của bộ chỉnh lưu
Các thông số tính mạch điều khiển:
+) Điện áp điều khiển Thyristor: U
g
= 3 V
+) Dòng điều khiển: I
g
= 0,3 A
+) Thời gian mở: t
m
= 80às
+) Độ rộng xung điều khiển: t
x
= 167 às
+) Tần số xung điều khiển: f
g
= 3 kHz
+) Điện áp nuôi mạch điều khiển: E = ±12V
+) Mức sụt biên độ xung:

1. Tính biến áp xung:
- Chọn vật liệu làm lõi là Ferit, lõi có hình xuyến, làm việc trên một phần đặc
tính từ hoá : ∆B = 0,3 T ; ∆H = 30 A/m ; không có khe hở không khí.
- Tỉ số biến áp xung: m = 2ữ3 , chọn m = 3
- Điện áp thứ cấp : U
2
= U
đk
= 3 V
- Điện áp cuộn sơ cấp : U
1

−
−
==
Δ
Δ
H
B
μ

trong đó: à
0
= 1,25.10
-6
(H/m) : độ từ thẩm tương đối
- Thể tích lõi thép cần dùng
V =
2
110

B
IUSt
xxtb
Δ
μ
μ
= 2,505 cm
2
→ Chọn mạch từ có kích thước V = 3 cm
2
. Với thể tích đó ta có các kích thước như

1
2
===
m
W
W
vòng
- Tiết diện dây quấn sơ cấp

016,0
6
1,0
1
1
1
===
j
I
S
mm
2
; chọn j
1
= 6 A/mm
2
- 21 -
Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hưng– Lớp TĐH2 – K46
→ đường kính dây quấn sơ cấp :

14,0

14,0
4
2
2
==
π
S
d
mm → chọn d
2
= 0,15 mm
2. Tính tầng khuếch đại cuối cùng:
Chọn Transistor công suất loại 2SC9111 làm việc ở chế độ xung có các thông số
:
- Transistor loại npn, vật liệu Si
+) Điện áp U
cbo
= 40 V
U
ebo
= 4 V
+) Dòng cực đại T chịu : I
cmax
= 500 mA
+) Công suất tieu tán ở C : P
c
= 1,7 W
+) t
o
max

1,0
912
1
1
5
=
−
=
−
=
I
UE
R
Ω?
- Các diode trong mạch điều khiển đều dùng loại 1N4009 có các tham số:
+) Dòng điện định mức : I
đm
= 10 mA
+) Điện áp ngược max : U
ng
= 25 V
+) Điện áp để diode thông : U
m
= 1 V

3. Chọn cổng AND:
Chọn IC 4081 thuộc họ CMOS. Mỗi IC 4081 có 4 cổng AND và có các thông
số như sau :
+) Nguồn nuôi IC: V
CC

log
==
−
B
ic
I
U
kΩ?
→ ta chọn R
4
= 2 kΩ?
- Chọn C
2
.R
4
= t
x
→
F
R
t
C
x
μ
0835,0
10.2
167
3
4
2

= R
2
; C
5
= 0,1 àF ; C
4
= 0,01 àF.
- Lúc đó :

03,16
10.01,0.10.3.3
443,1
.3
443,1
63
===
−
Cf
R
k
→ chọn R
1
= R
2
= 16 k

6. Tính chọn tầng so sánh
- KĐTT A1 chọn loại TL084
- Chọn R
P

= 0,8 mA

7. Tính chọn khâu đồng pha
- 23 -
Thiết kế máy hàn một chiều Nguyễn Tiến Hưng– Lớp TĐH2 – K46
- Điện áp tựa được hình thành do sự nạp điện của tụ C
1
- Ta chọn thời gian nạp của tụ là : t
1
= R
3
C
1
= 0,005 s
- Chọn C
1
= 20 àF → R
3
= 25 kΩ?
- Để thuận tiên cho việc điều chỉnh lắp ráp, chọn R
3
là biến trở .
- Chọn T2 là Transistor loại A564 có các thông số :
+) U
cbo
= 25 V
+) U
beo
= 7 V
+) I


→ chọn R
2
= 15 kΩ?
- Chọn điện áp xoay chiều đồng pha U
A
= 9 V
- Chọn R
1
để hạn chế dòng vào Bazơ của T1 sao cho I
V
< I
Vmax
max
1
9
VV
I
R
I ≤=
→
Ω==≥ k
I
R
V
5,22
4,0
99
max
1

= ð/3.
Tại thời điểm phát xung có: U
đk
= U
đặt
= U
tựa
(ựt = ð/3)
- Dựa vào phương trình trên ta tìm biên độ U
đặt
:
Theo trên có :
U
tựa
=
tt
R
UE
C
tI
C
dtti
C
DZ
t
Cc
1200
10.50
6126
.

V
Chọn các điện trở : R
a
= R
f
= 10 kΩ?

9. Chọn khâu phản hồi
Ta có : U
ph
= I . R
S
Chọn R
S
thoả mãn U
ph
< U
đk

⇔
Ω==<
−3
10.6,6
600
4
I
U
R
dat
S

= 0ữ1 A
- Tụ C
4
, C
5
lọc sóng hài bậc cao
- Chọn C
4
=C
5
=C
6
=C
7
= 470 àF ; U
vào
= 35V

11. Tính MBA nguồn nuôi và đồng pha:
Ta cần nguồn nuôi ± 12 V để cung cấp cho máy biến áp xung , IC và các
KĐTT

- Chọn MBA 1 pha kiểu lõi, có 3 cuộn dây: 1cuộn sơ cấp + 2 cuộn thứ cấp
- Điện áp lấy ra ở thứ cấp MBA làm điện áp đồng pha và nguồn nuôi
U
2
= U
2đp
= U
N

= P
đp
+ P
KĐTT
+ P
x
= 3,178 W
- Công suất ủa MAB có kể tới 5% tổn hao:
- 25 -