Đồ án Máy hàn TIG sử dụng công nghệ biến tần

chọn mật độ từ thông đỉnh dB = 3200 Gauss thì sẽ không gây nên tổn hao lõi quá mức. Gía trị dB trong định luật Faraday được tính gấp hai lần mật độ từ thông yêu cầu (1600 G dưới 50Khz hay nhỏ hơn ở tần số cao hơn). Sự dịch chuyển từ thông dB gấp hai lần giá trị đỉnh yêu cầu là vì lõi của mạch cầu bán phần hoạt động ở một phần tư đầu tiên và thứ ba của đường cong từ trễ. Vậy với tần số chuyển mạch f = 25Khz và diện tích lõi Ae = 3, 5x3, 5 (cm2) chọn mật độ từ thông đỉnh dB = 3200Gauss. 4. 3. Tính số vòng dây cuộn sơ cấp. Từ định luật Faraday : NP = (5. 18) Với dt là thời gian thông của IGBT. Với dt phải chọn là thời gian thông cực đại của các van bán dẫn. Để đảm bảo cho các van bán dẫn không bị trùng dẫn dt cực đại chọn là dt = 0, 4T. Với T là chu kỳ chuyển mạch. E là điện áp tới cuộn sơ cấp máy biến áp hàn. Với công thức của định luật Faraday như trên thì E có thể tính E – 1 (V) mặc dù ở phần II. 4 chương III có tính điện áp sơ cấp máy biến áp hàn theo công thức về thời gian dẫn của các transtor tính được điện áp phía sơ cấp máy hàn Usc = 123, 2V nhưng vì công thức của định luật Faraday với dt = 0, 4T đã bao hàm giá trị về thời gian dẫn ở trên. E – 1 (V). Sụt áp trên mỗi IGBT công suất khi dẫn là 1V. dB là mật độ từ thông đỉnh đã chọn dB = 3200 Gauss. Ae (cm2) _ là diện tích lõi Ferit đã chọn ở trên, Ae = 3, 5. 3. 5(cm2). Số vòng dây cuộn sơ cấp được tính : Np = = = = (vòng) Chọn số vòng cuộn sơ cấp Np = 7(vòng). 4. 4. Tính số vòng cuộn thứ cấp Số vòng cuộn dây thứ cấp được tính từ công thức : (5.19) Trong đó : V0 là điện áp lúc không tải của máy hàn : V0 = Vh + ∆Uck + ΔUba +ΔUcáp hàn = 20 + 6, 25 + 2+ 1, 75 = 30V Với : ΔUck là điện áp rơi trên cuộn kháng lọc ngõ ra. ΔUba là sụt áp trên biến áp chọn sơ bộ ΔUba = 1V. ΔU cáp hàn do cáp hàn tương đối dài mang dòng lớn chọn sơ bộ ΔUcáp hàn = 1, 75V. D là chu trình tải phía thứ cấp máy biến áp hàn. Do máy hàn có thể làm viêc ở nhiều chu trình tải khác nhau nên dòng điện sẽ thay đổi theo tần số xung hàn. Ở đây chọn hai chế độ làm việc phổ biến của máy hàn TIG là 100% và 60% chu trình tải nên D = 0, 6. Vrect sụt áp trên chỉnh lưu đầu ra chọn = 3V Vin là điện áp phía sơ cấp tính ở mục II. 4 (công thức 5.6) chương V. Vin = Utc = 123, 2(V) VDropTransitor là điện áp rơi trên van bán dẫn công suất : VDropTransitor = 1. 1, 4 = 1, 4 (V) Vậy số vòng cuộn thứ cấp được tính : = (vòng) Chọn số vòng cuộn thứ cấp Ns = 4 vòng 4. 5. Chọn mật độ dòng điện cuộn sơ cấp Chọn mật độ dòng cuộn sơ cấp và thứ cấp có cùng mật độ dòng. Chọn mật độ dòng Dcma là mật độ dòng mil tròn/Ampe rms. Mật độ dòng Dcma là: (5. 20) Trong đó : Atcm là diện tích dây sơ cấp (mil tròn) Diện tích hình vuông (in2) = diện tích mil tròn. Irms là cường độ dòng điện hiệu dụng của cuộn sơ cấp máy biến áp. Chọn mật độ dòng điện Dcma = 500 mil tròn/Ampe rms. Việc chọn Dcma = 500 mil tròn/Ampe rms là bao gồm việc chọn chung cho việc thiết kế biến áp. Với mật độ cao hơn (giá trị Dcma thấp hơn) sẽ dẫn đến tổn hao đồng nhiều hơn và mật độ thấp hơn sẽ làm tiết diện lõi tăng. Điều này là không cần thiết. 4. 6. Tính dòng sơ cấp Giả thiết hiệu suất của biến áp là 80% từ ngõ vào sơ cấp đến tổng công suất ngõ ra. Do đó P0 = 0, 8Pin hay Pin = 1, 25P0. Nhưng ở điện áp ngõ vào cực tiểu thì thời gian mở trong nửa chu kỳ là 0, 8/T và chu kỳ làm việc trong trong một chu kỳ là 0, 8. Bỏ qua sụt áp mở trên transitor công suất, công suất ngõ vào ở Vdc là : Pin = . 0, 8. Ipft (5. 21) Hay Ipft = (5. 22) Với Ipft là dòng sơ cấp tương đương có đỉnh nhọn bị méo dạng. Hình 1.57: Dạng sóng dòng điện trong cuộn dây biến áp hàn. 4. 7. Chọn tiết dện dây sơ cấp. Dòng Ipft chảy qua ở chu kỳ làm việc là 0.8, do đó dòng hiệu dụng của nó là: Irms = 0, 8. Ipft (5.23) Từ biểu thức 4. 5 ta có : Irms = . = (5.24) Với Dcma = 500 mil tròn/Ampe rms số mil tròn yêu cầu là : Số mil tròn cần = Dcma. Irms = Dcma. Trong đó P0 = Ih. Uh = 250. 20 = 5000(W) Vdc = 306 V Số mil tròn cần = 500. 45, 60 = 22800(mil tròn) Do diện tích hình vuông (in2) = diện tích mil tròn. Giả sử quy đổi dây thứ cấp theo hình vuông và tính bằng in2 ta được : Ssc = 22800. = 0, 0179 (in2) Do đó có thể chọn dây dẫn tròn có đường kính dsc = (in) Sỡ dĩ như vậy vì có thể tính xấp xỉ diện đường kính hình tròn = cạnh hình vuông*1, 24 nếu chúng có cùng diện tích. Vậy tiết diện dây sơ cấp tính theo đơn vị mm được quy đổi về như sau : 1in = 25, 4 mm dsc = 0, 166. 25, 4 = 4, 2164 (mm) Chọn dây dẫn tròn có đường kính d = 4,2 mm cho cuộn sơ cấp. Tiết diện dây: Ssc = 13,85 (mm2) Dây có đường kính d = 4,2 mm có các thông số như sau : Tiết diện tính toán của lõi đồng : Scu = 13,847 mm2 Trọng lượng riêng một mét : mcu = 65 gam/m Điện trở một mét : R/m = 0, 0024 Ω/ 4. 8. Chọn tiết diện dây thứ cấp. Đối với dòng sơ cấp, để đơn giản việc tính toán dòng hiệu dụng, các xung răng cưa được xem xấp xỉ tương đương với sóng có đỉnh méo dạng Ispt mà biên độ của nó là dòng ở tâm sóng răng cưa hay dòng hàn ở chu kỳ làm việc 0, 4. Dòng hiệu dụng chảy trong cuộn thứ cấp được tính xấp xỉ bằng dòng hàn khi hàn : Irmstc = Ih Số mil tròn cần = Dcma. Irmstc Do chọn cùng mật độ cho cả cuộn sơ cấp và thứ cấp nên Dcma = 500 mil tròn/ampe rms. Số mil tròn cần = 500. 250 = 125000 (mil tròn) Quy đổi dây thứ cấp theo hình vuông và tính bằng in2 ta được Stc = 125000. = 0, 096 (in2) Dây dẫn thứ cấp chọn dây chữ nhật có các kích thước : Chiều dày dây b = 0, 16 in. Chiều rộng dây a = 0, 6 in. Vậy dây thứ cấp được tính theo đơn vị mm có các kích thước như sau : Chiều hẹp dây a = 0, 16. 0, 254 = 4, 064 (mm) Chiều rộng dây b = 0, 6. 25, 4 = 15, 24 (mm) Chọn dây dẫn có các thông số chuẩn hoá như sau : Chiều hẹp dây a = 5 mm Chiều rộng dây b = 15, 6 mm Tiết diện dây S = 74, 14 mm2 4. 9. Số vòng dây trên một lớp cuộn sơ cấp. Do mạch từ là mạch dạng EE nên chiều cao trụ = 2xh với điện cực không nóng chảy là chiều cao một nửa trụ. Chiều cao trụ = 2. 40 = 80(mm). Đường kính dây sơ cấp dsc = 4,20 mm. Chọn hệ số kdq = 0, 95 ta tính được số vòng trên một lớp của trụ như sau : Số vòng trên một lớp = chiều cao trụ*kdq/dsc Số vòng trên một lớp = (vòng) Do số vòng trên cuộn sơ cấp chỉ có 7 vòng nên chỉ cần quấn 1 lớp. 4. 10. Số vòng trên một lớp cuộn thứ cấp. Số vòng trên một lớp = chiều cao trụ*kdq/a Chọn hệ số dây quấn kdq = 0, 95 b là chiều rộng dây quấn thứ cấp a= 15,6 mm kể cả cách điện. Số vòng trên một lớp = (vòng) Do số vòng trên cuộn thứ cấp là 4 vòng nên chỉ cần quấn 1 lớp. Chọn cách điện giữa hai cuộn sơ cấp và thứ cấp là 17mm 4. 11. Điện trở dây quấn sơ cấp và thứ cấp. Chiều dài dây quấn sơ cấp Do phía sơ cấp có 7 vòng mỗi vòng tính bằng chu vi của trụ lõi ferit ta có: Chiều dài mỗi vòng dây = 4. a = 4. 35 = 140 (mm) = 14 (cm) Chiều dài dây sơ cấp : lsc = 14. 7 = 98 (cm) = 0,98 (m) Điện trở sơ cấp ở 750C được tính theo công thức : Rsc75 = (5. 25) Chiêù dài dây quấn thứ cấp do dây quấn thứ cấp quấn ngoài dây quấn sơ cấp nên chiều dài mỗi vòng dây của nó được tính theo : Chiều dài mỗi vòng dây = a + dsc + 17 Trong đó : a là cạnh của trụ. dsc là đường kính dây sơ cấp. 17 là chiều dày lớp cách điện giữa 2 cuộn sơ cấp và thứ cấp. Chiều dài mỗi vòng dây = 4. (a + 2. (dsc + 17)) = 4. (35 + 2. (4,20 +17))= 309, 6 (mm) Do dây quấn thứ cấp gồm 4 vòng nên tổmg chiều dài dây quấn thứ cấp là : ltc = 4. 309,6 = 1238,4(mm) = 1, 24 (m) Điện trở dây quấn thứ cấp : Rtc75 = 4. 12. Sụt áp trên dây quấn máy biến áp : ΔU = I1. Rsc + Ih. Rtc = 45,06. + 250. 2,87. = 0, 14 (V) 4. 13. Tổn hao đồng biến áp. Giả thiết rằng tổn hao đồng được tính bằng công thức (Irms)2. Rdc với Rdc là điện trở một chiều của của các cuộn dây như đã tính ở phần 5. 11 và Irms là dòng điện hiệu dụng trong các cuộn dây. Có hai hiệu ứng có thể gây ra tổn hao cuộn dây lớn hơn (Irms)2. Rdc đó là hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng gần khi máy biến áp hoạt động ở tần số cao. Cả hai hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng gần phát sinh từ các dòng xoáy mà được tạo ra bởi từ trường khác nhau trong cuộn dây. Hiệu ứng bề mặt được gây bởi dòng xoáy mà được tạo ra bởi chính từ trường của dòng điện chạy qua dây đó. Ngược lại hiệu ứng gần lại được gây ra bởi dòng xoáy được tạo ra trong các dây dẫn bởi từ trường của các dòng điện chạy trong các dây dẫn khác. Hiêu ứng bề mặt gây ra dòng điện trong một dây để chỉ chảy qua trong một bề mặt mỏng trên chu vi bề ngoài của dây. Độ sâu của bề mặt mỏng hay diện tích dẫn hình vành khăn tỉ lệ nghịch với căn bậc hai của tần số. Do đó khi tần số tăng điện trở xoay chiều AC tăng và tăng tổn hao đồng. Hiệu ứng gần là hiệu ứng nguy hiểm hơn so với hiệu ứng bề mặt đặc biệt khi số lớp dây tăng lên. Hiệu ứng bề mặt chỉ làm giảm tiết diện dẫn của dòng điện trong các dây còn biên độ dòng điện không hề thay đổi. Trong khi đó hiệu ứng gần làm biên độ dòng điện tăng rất nhiều khi số lớp dây tăng lên đáng kể. Cả hai hiệu ứng làm điện trở AC tăng nhiếu so với điện trở DC ở các tần số lớn, do vậy làm tổn hao đồng tăng lên đáng kể. 4. 13. 1. Hiệu ứng bề mặt. Chiều sâu bề mặt được định nghĩa như một khoảng dưới dưới bề mặt mà mật độ dòng giảm xuống hay 37% giá trị của nó ở bề mặt. Quan hệ giữa chiều sâu bề mặt và tần sốnhận được bởi nhiều nguồn và dây đồng ở 750C như sau : S= (5. 26) Với S là chiều sâu bề mặt tính bằng mil (1 mil = 2, 54. 10-2 mm) f là tần số Hz Đối với một điện trở DC, điện trở AC Rac do hiệu ứng bề mặt và sự thay đổi điện trở ΔR là : Rac = Rdc + ∆R = Rdc(1 + ) = Rdc. (1 + F) (5.27) Hay Từ quan hệ chiều sâu bề mặt theo biểu thức S= có thể tính cho bất kỳ tiết điện dây và tần số. Vì điện trở tỉ lệ nghịch với tiết diện, đối với chiều sâu bề mặt S, bán kính dây r và đường kính dây điện cực không nóng chảy đối với dây sơ cấp là hình tròn nên bán kính trong là (r – s) do đó : (5.28) Với S = (mil) S = 17, 9. 2, 54. 10-2 = 45, 466. 10-2 (mm) Vậy Do hiệu ứng bề mặt nên điện trở sơ cấp tăng 2,58 lần. Dây thứ cấp là dây chữ nhật nên với hiệu ứng bề mặt thì điện trở của nó thay đổi như sau : Với a là chiều hẹp dây. b là chiều rộng dây. Do đó : = Do hiệu ứng bề mặt nên điện trở dây quấn thứ cấp tăng 4, 3 lần. 4. 13. 2. Hiệu ứng gần. Hiệu ứng gần được tạo ra bởi từ trường thay đổi phát sinh từ dòng điện của các dây lân cận hay nguy hiểm hơn từ những dòng điện trong trong các lớp dây lân cận trong cuộn dây có nhiều lớp. Nó nguy hiểm hơn hiệu ứng bề mặt vì tổn hao đồng tăng sau này chỉ giới hạn diện tích dẫn của dây trên bề mặt mỏng của nó, nhưng nó không thay đổi biên độ dòng điện chảy qua - chỉ mật độ dòng điện ở bề mặt dây dẫn. Ngược lại trong hiệu ứng gần, dòng xoáy được tạo ra bởi từ trường của dòng trong các lớp dây lân cận tăng rất nhanh về biên độ khi số lớp dây tăng. Với dây quấn sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp chỉ có một lớp nên hiệu ứng gần chỉ làm điện trở dây sơ cấp và thứ cấp tăng gấp đôi. Do vậy với hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng gần điện trở dây quấn sơ cấp tăng : (lần) Tổn hao đồng phía sơ cấp khi xét đến hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng gần : ΔP1 = Rac. (I1)2 = 4,58. Rdc. (I1)2 = 4,58. 0, 00154. (45,06)2 = 14,320 (W) Điện trở thứ cấp khi xét đến hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng gần : (lần) Tổn hao đồng phía thứ cấp khi xét đến hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng gần : ΔP2 = Rac. Ih = 6, 3. Rdc. (Ih)2= 6, 3. 2,57. (250)2 = 101,19 (W) Sụt áp trên biến áp khi xét tới hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng gần : ΔU = Racsc. I1 + Ractc. Ih = 4,58. 0, 00154. 45,06 + 6, 3. 0, 000257. 250 = 0,722 (V). 4. 14. Tổn hao lõi ferit. Hình 1.58: Tổn hao lõi đối với mật độ từ thông. Hình trên thể hiện tổn hao lõi ferit. Với tần số f = 25kHz và B = 3200 Gauss tổn hao lõi trên 1 cm3 là 200 mW. Thể tích của lõi ferit : V = 11. 11. 3, 5 = 432, 5 (cm3) Tổn hao lõi : ΔPlõi = V. 200 = 423, 5. 200 = 84700 (mW) = 84, 7 (W). Như vậy tổn hao lõi Ferit tỷ lệ thuận với thể tích lõi. 5. Chọn chỉnh lưu đầu ra. Xét trên lý thuyết có thể chọn Chỉnh lưu đầu ra là chỉnh lưu cầu một pha không điều khiển. Chọn chỉnh lưu cầu một pha gồm bốn diode mắc như hình dưới đây : Hình 1.59: Sơ đồ chỉnh lưu cầu đầu ra máy hàn. Các diode có dòng qua chúng là dòng hàn có giá trị Ih = 250A Chọn hệ số dự trữ về điện áp ku = 1, 4 Điện áp ngược đặt lên diode khi chúng khoá là Un = ku. Vtckt = 1, 4.30 = 42(V) Chọn hệ số dự trữ về dòng điện là ki = 1, 3. Dòng điện qua diode khi thông cần chọn Idiode = ki. Ih = 1, 3. 250 = 325 (A) Với áp ngược và dòng như trên chọn loại diode công suất có kí hiệu A309M có các thông số như sau : Dòng điện chỉnh lưu cực đại Imax = 400A Điện áp ngược của diode Un = 600V Đỉnh xung dòng điện Ipik = 7000A Tổn hao điện áp ở trạng thái mở của diode ∆U = 1, 4V Dòng điện thử cực đại Ith = 1200A Dòng điện rò ở nhiệt độ 250C Ir = 15mA Nhiệt độ cho phép Tcp = 1900C Trên thực tế các loại máy hàn inverter tần số cao thường sử dụng các loại diode chỉnh lưu ra theo nguyên tắc mắc song song các van bán dẫn mà cụ thể ở đây là các diode đã được tích hợp các diode khác nhằm mục đích phân nhỏ dòng cho các diode chỉnh lưu, điều này cũng dễ dàng hơn cho việc chọn van. Một điều cần chú ý rằng khi mắc song song các van bán dẫn, dòng chạy qua các van có thể phân bố không đều vì đặc tính vôn-ampe của các van là không hoàn toàn giống nhau. Do vậy cách thức thông thường nhất để dòng điện phân bố đều mà không cần các linh kiện phụ là sử dụng các diode cùng loại, có cùng đặc tính vôn – ampe cả khi không tải và khi có tải Các sơ đồ mắc song song có thể chọn như sau : Hình1.60: Các sơ đồ mắc song song van bán dẫn a-mắc song song trực tiếp ; b- mắc song song qua điện trở c-mắc song song qua cuộn cảm ; d-mắc song song qua hỗ cảm . Thông thường các chuỗi diode đó có dòng điện lệch nhau không quá 20%. Cần phải giữ các diode ở cùng một nhiệt độ, nhất là khi làm việc. Do đó để diode làm việc ổn định sẽ liên quan trực tiếp đến cách thức tiến hành làm mát hay tản nhiệt cho hệ thống van bán dẫn mắc song song cùng làm việc như trong trường hợp này. Việc sử dụng điện trở hay cuộn dây cân bằng được dùng trong các trường hợp không có được thông số giống nhau của các diode. Khi này kích thước thiết bị trở nên cồng kềnh hơn và phát sinh thêm các điều kiện phụ không có lợi. Cụ thể như khi sử dụng các cuộn kháng cân bằng L1, L2 để lấy lại sự phân bố đều cho dòng điện chúng ta có thể đạt được dòng phân bố khá đều nhau, tuy nhiên một nhược điểm là giải pháp đắt tiền và làm tăng kích thước của thiết bị. Khi sử dụng điện trở thì đơn giảm và kinh tế hơn nhưng lại gây tổn hao năng lượng dưới dạng nhiệt tỏa ra trên điện trở. 6. Thiết kế cuộn kháng lọc ngõ ra 6. 1. Xác định điện cảm cuộn kháng lọc ngõ ra Từ công thức : L = VL. (5. 30) Do dạng sóng dòng điện có dạng răng cưa nên dI = 2. Imin với Imin là dòng cực tiểu ở phía sơ cấp máy biến áp hàn hay nó là biên độ dòng xoay chiều bậc 1. Do đó : dI = 2. Imin = VL. (5.31) Với V2 là điện áp ra phía thứ cấp của máy biến áp hàn khi hàn. Vh là điện áp của máy hàn khi hàn Vh = 20V. Ton là thời gian thông của các transitor công suất. Do dạng sóng điện áp là dạng sóng vuông xoay chiều nên : Vh = V2. (5. 32) Do đó : Ton = (5. 33) Nhưng do Ton được chọn để đảm bảo an toàn cho các transitor công suất nên : Ton = Do đó : Ton = hay V2 = 1, 25Vh Và (5. 34) Vậy L = (5. 35) Do các transitor đóng cắt ở 0, 4T nên dòng cực tiểu có thể tính : Imin = Ih. = 250. 0, 623 = 158 (A) Từ biểu thức 4. 35 chương IV. L = Thay các giá trị vào ta được L = (H) = 0, 26 µH 6. 2. Điện trở cuộn kháng Do dòng điện cuộn kháng lớn và điện trở bé do đó ta có thể coi tổng trở của cuộn kháng xấp xỉ bằng điện kháng của cuộn kháng. Zk = 2. . f. L = 2. 3, 14. 25000. 0, 26. 10-6 = 0, 041 (5.36) 6. 3. Điện áp xoay chiều rơi trên cuộn kháng lọc (5.37) 6. 4. Công suất cuộn kháng lọc P = ∆U. Imin = 6, 5. 158 = 1027 (W) (5.38) 6. 5. Chọn lõi cho cuộn kháng. Với công suất P = 1, 027 kW và tần số chuyển mạch của các van bán dẫn là 25 kHz chọn lõi là lõi Ferit E55 có công suất là 1067, 5 W ở 25kHz. Lõi E55 có tiết diện trụ là Ae = 3, 53 cm2 có các kích thước như sau : Hình 1.61: Các kích thước cơ bản của lõi EE55 6. 6. Số vòng cuộn kháng. Cách tính số vòng cuộn kháng tương tự như cách tính ở máy biến áp hàn. Chọn mật độ từ thông đỉnh dB = 3200 Gauss. Từ định luật Faraday số vòng của cuộn kháng : Nk = (4. 39) Với dt là thời gian thông của transitor công suất. Với dt phải chọn là thời gian thông cực đại của các transitor. Để đảm bảo cho các transitor không bị trùng dẫn dt cực đại chọn là dt = 0, 4T. Với T là chu kỳ chuyển mạch. E là điện áp rơi trên cuộn kháng E = ∆Uck = 6, 5 V Số vòng dây cuộn kháng được tính : Nk= = (vòng) Chọn số vòng của cuộn kháng Nk = 1( vòng) . 6. 7. Chọn kích thước dây dẫn cho cuộn kháng. Chọn mật độ dòng trong cuộn kháng j = 2, 75 A/mm2. Tiết diện dây cuộn kháng Sk = = 90 (mm2) Chọn dây có tiết diện chữ nhật cách có kích thước axb = 5x18 (mmxmm) 6.8. Điện trở cuộn kháng lọc. Chiều dài cuộn dây = 1`*(4*a) với a là chiều dài một cạnh của lõi ferit = 1. (4. 18, 88) = 75,52 (mm) = 0,0752 m Điện trở cuộn kháng Rk = 7. Tính toán cao áp Máy hàn TIG thông thường có hai chế độ hoạt động, đó là chế độ hàn que (STICK) và chế độ hàn TIG. Cao áp trong máy hàn TIG là một bộ phận quan trọng, nó gắn liền với chế độ hàn TIG, là bộ phận mồi điện áp theo nguyên tắc cộng điện áp để sinh ra hồ quang một cách nhanh chóng. Điện áp do phần cao áp tạo ra thường là dạng điện áp xoay chiều có tần số cao (hàng chục Khz) và điện áp cao(hàng KV). Toàn bộ hệ thống cao áp chỉ hoạt động trong quá trình mồi hồ quang ở chế độ hàn TIG, cao áp được ngắt ra ngay khi hồ quang đã được phát sinh trong mỗi một chu trình hàn. Đối với các máy hàn TIG kiểu chỉnh lưu với biến áp lực nhỏ và tần số hoạt động bằng tần số nguồn cung cấp cần có một bộ phận riêng biệt để tạo tần số và điện áp cao. Với máy hàn TIG mà nguồn hàn được chế tạo theo công nghệ INVERTER thì tần số và điện áp cao được tạo ra một cách rất đơn giản bằng cách lấy ra điện áp xoay chiều tần số cao ở ngay trên biến áp xung cả mạch lực. Do đó nó giảm đựoc kích thước và trọng lượng một cách đáng kể cùng với kích thước nhỏ của biến áp lực đã tính toán. Hình 7. 1 chỉ ra sơ đồ nguyên lý của hệ thống tạo cao áp trong máy hàn TIG kiểu INVERTER. Trong hệ thống này đầu ra của cao áp được đấu trực tiếp vào cực âm của đầu ra hàn. Cao áp được kích hoạt bằng tín hiệu lấy từ mạch điều khiển để đóng cắt RELAY, người ta thường thực hiện bằng nút bấm đặt ở ngay sát với tay cầm của mỏ hàn và do người công nhân hàn trực tiếp thao tác trong mỗi một chu trình hàn. Để tạo ra điện áp mồi cao tần người ta quấn trực tiếp sơ cấp của biến áp tạo áp cao tần một vài vòng dây (2-3 vòng) trên thân của biến áp xung mạch lực. Sơ cấp của biến áp xung tạo áp cao tần này tồn tại một điện áp khoảng 3KV xoay chiều với tần số bằng tần số điện áp thứ cấp của biến áp lực. Với điện áp cao tần này đủ để phát sinh hồ quang một cách rõ rệt trên khe hở (pake gap) đặt ngay đầu ra của thứ cấp biến áp xung cao tần. Biến áp xung cách ly có nhiệm vụ tạo cách ly cho mạch tạo cao áp với mạch lực. Thứ cấp biến áp này tạo ra một điện áp xoay chiều có tần số và điện áp cao đủ để mồi hồ quang trong quá trình hàn. Hình 1.62: Sơ đồ nguyên lý mạch tạo cao áp 8. Tính chọn điện trở Shunt cho mạch phản hồi. Mạch phản hồi cho máy hàn nói chung và máy hàn Tig nói riêng là một khâu quan trọng. Trong chỉ tiêu đầu ra của máy hàn người ta thường yêu cầu chất lượng cao về dòng điện hàn cũng như độ ổn định của nó trong quá trình làm việc của máy. Chất lượng của mối hàn hầu như phụ thuộc nhiều vào độ ổn định của dòng hàn tại một chế độ hàn xác lập định trước. Tùy theo công nghệ hàn mà ở các máy hàn khác nhau có các phương thức ổn định dòng hàn khác nhau. Phương thức ổn định Điển hình của các loại máy hàn là sử dụng Shunt điện trở lấy tín hiệu điện áp về tỷ lệ thuận với dòng điện hàn đầu ra ở mỗi một dòng hàn đặt trước. Trong một số máy khác người ta sử dụng biến dòng BI đặt tại sơ cấp hay thứ cấp của biến áp lực để ổn định các giá trị điện áp tại các vị trí này, từ đó cho ổn định về dòng điện hàn đầu ra một cách tương đối. Đối với loại máy hàn đang thiết kế chúng em đã sử dụng loại Shunt điện trở lấy tín hiệu điện áp trên Shunt tỷ lệ thuận với dòng đầu ra, từ đó đưa về sử ý thông qua mạch điều khiển phàn hồi với các khâu lọc và khuyếch đại thông qua IC chuyên dụng LM324 để tạo ra một điện áp tuyến tính. Điện áp này được so sánh với điện áp đặt để điều khiển độ rộng xung hay thời gian dẫn của các van lực ở một giá trị không đổi ứng với dòng điện hàn mà người vận hành đặt trước. Máy hàn làm việc với dòng hàn tối đa là 250A, chọn loại Shunt điện trở 300A, 75mV. Khi này điện áp phản hồi tối đa lấy về trên Shunt là 75 mV. Tín hiệu điện áp này có thể bằng phẳng hay nhấp nhô do sự không ổn định của dòng điện hàn, việc sử lý tín hiệu này phụ thuộc vào các cách thức khác nhau trong khâu điều khiển phản hồi sẽ nói ở phần sau. Sơ đồ nguyên lý của khâu phản hồi dùng điện trở Shunt được biểu diễn như hình vẽ : Hình 1.63: Sơ đồ nguyên lý khâu phản hồi sử dụng Shunt điện trở CHƯƠNG V TÍNH TOÁN CÁC THIẾT BỊ BẢO VỆ Các linh kiện điện tử công suất trong quá trình làm việc cần được bảo vệ khỏi các hiện tượng quá nhiệt, quá điện áp, quá dòng điện, quá tốc độ tăng dòng và áp. Phần lớn các linh kiện bán dẫn bắt buộc phải có các cuộn dây và tụ điện thông số lớn tuy nhiên cũng có các linh kiện chỉ đóng vai trò bảo vệ và nhiệm vụ của chúng cũng hết sức quan trọng. Các linh kiện điện tử dùng để bảo vệ có thể tính bằng công thức thông qua các điều kiện ràng buộc. Tuy nhiên trong thực tế người ta thường sử dụng các trị số kinh nghịm dựa trên các kiểm định thực tế. Đối với phần động lực của máy hàn thiết kế cần tính toán bảo vệ các điều kiện cho các bộ linh kiện bán dẫn là bộ chỉnh lưu đầu vào, bộ chỉnh lưu đầu ra và bộ transitor động lực. 1. Bảo vệ quá nhiệt a. Bảo vệ quá nhiệt cho chỉnh lưu đầu vào. Khi làm việc với dòng điện lớn trên các van có dòng điện chạy qua. Mặt khác không có van bán dẫn nào có sụt áp bằng 0, do đó có tổn hao công suất Δp, tổn hao này sinh ra nhiệt đốt nóng các diode. Mặt khác diode bán dẫn chỉ được phép làm việc dưới nhiệt độ cho phép Tcp nào đó. Nếu quá nhiệt độ cho phép thì các diode bán dẫn sẽ bị phá hỏng. Để các diode của chỉnh lưu đầu vào làm việc an toàn không bị chọc thủng về nhiệt ta phải chọn và thiết kế hệ thống tản nhiệt hợp lý. * Tính toán cánh tản nhiệt cho chỉnh lưu đầu vào. Tổn thất công suất trên 1 diode : Δp = ΔU. I1 Trong đó : ΔU là sút áp trên mỗi diode. I1 là cường độ dòng điện phía sơ cấp. ∆p = ΔU. I1 = 1, 4 .45,06 = 63,084(w) Diện tích bề mặt toả nhiệt : (5. 1) Trong đó : Δp là tổn hao công suất. τ độ chênh nhiệt so với môi trường. Chọn nhiệt độ môi trường Tmt = 300C. Nhiệt độ làm việc cho các diode Tcp = 1250C. Chọn nhiệt độ trên cánh toả nhiệt Tlv = 800C. τ = Tlv – Tmt = 500C. Km Hệ số toả nhiệt bằng đối lưu và bức xạ có quạt làm mát cưỡng bức. Chọn Km = 10 [w/m2. 0C]. = (m2) b. Bảo vệ chỉnh nhiệt cho chỉnh lưu đầu ra. Tính tương tự như trên. ∆p = ∆U. Ih = 1, 4. 250 = 350(w) (m2) Chọn phương án hai bộ chỉnh lưu cùng gắn trên một cánh tản nhiệt có diện tích 1 m2. Chọn bộ tản nhiệt có 20 cánh mỗi cánh có chiều dài 25cm cao 20cm Hình 1.64: Hình dáng và kích thước cánh tản nhiệt cho chỉnh lưu đầu vào và chỉnh lưu đầu ra. Diện tích của bộ tản nhiệt S = 20. 25. 20 = 10000 (cm2) = 1 m2 2. Bảo vệ quá nhiệt cho IGBT Dòng chảy qua IGBT chính là dòng sơ cấp biến áp hàn Isc = 45,06A. Tổn thất công suất trên một transitor công suất : Δp = ΔU. Ih = 1, 4. 45,06 = 63,084 (W) Tính tương tự như trên. = (m2) Để đảm bảo tính thẩm mỹ cũng như cách bố trí các linh kiện trong máy hàn, hai van bán dẫn này được đặt trên cùng một cánh tản nhiệt, chúng thường được bố trí song song với cánh tản nhiệt cho chỉnh lưu đầu vào và đầu ra như tính toán ở trên. Chọn bộ tản nhiệt có 20 cánh mỗi cánh có chiều cao 15cm và chiều dài 25cm như hình vẽ sau : Hình 1.65: Hình dáng và kích thước cánh tản nhiệt cho transitor công suất 3. Bảo vệ quá dòng điện cho van bán dẫn. Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động ngắt mạch khi ngắn mạch sơ cấp máy biến áp hàn, xảy ra hiện tượng trùng dẫn ở mạch cầu toàn phần. Chọn aptomat có : Idm = 1, 1. I1 = 1, 1. 45,06 = 49,566 = 50 (A). Udm = 220 (V). Có thể đóng cắt bằng tay hoặc tự động bằng nam châm điện. Chỉnh định dòng điện ngắn mạch, chọn knm =1,3: Inm = 1, 3. I1 = 1, 3. 45,06 = 58,578 (A). Chọn cầu chì Tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch khi xảy ra hện tượng trùng dẫn. Icc = 1, 1. I1 = 1, 1. 45,06 = 49,566 (A) = 50 (A). Chọn cầu chì loại 50A. 4. Bảo vệ xung điện áp từ lưới và các xung điện áp trong quá trình hàn. Để bảo vệ xung điện áp từ lưới và các xung điện áp có thể xuất hiện trong quá trình hàn(nhất là quá trình mồi cao áp và quá trình quyệt hai cực hà trong chế độ hàn que) ta mắc thêm mạch R – C , thường gọi là BỘ LỌC CAO TẦN như hình dưới. Nhờ có mạch lọc này mà đỉnh xung gần như nằm lại hoàn toàn trên điện trở đường dây. Hình 1.66: Mạch RC bảo vệ xung điện áp từ lưới và xung điện áp khi hàn Theo kinh nghiệm chọn R = 12. 5(Ω) và C2 = 4uF 5. Bảo vệ quá điện áp do chuyển mạch van bán dẫn. Qúa trình đóng cắt hai van lực IGBT với tần số cao có thể gây qua áp cho van. Người ta bảo vệ nó bằng mạch lọc cao tần RC mắc song song với bản thân van bán dẫn này. Khi có sự chuyển mạch, các điện tích tích tụ trong các lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo ra dòng điện ngược trong khoảng thời gian rất ngắn. Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược gây nên sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm do đó gây nên hiện tượng qua áp cục bộ cho các van bán dẫn. Khi có mạch lọc RC mác song song với van sẽ tạo ra một mạch vòng khép kín để phóng điện tích trong quá trình chuyển mạch nên IGBT không bị quá điện áp. Lượng điện tích này không đủ lớn để gây quá áp trên đường dây nhưng đủ để gây quá áp cho các tải lân cận. Mỗi một van bán dẫn cần được bố trí riêng một mạch lọc cao tần RC bằng cách mắc song song trực tiếp với các van để loại trừ xung điện áp cao tần do chính bản thân sự chuyển mạch của chúng gây nên. Hình 1.67: Bảo vệ xung điện áp do chuyển mạch van bán dẫn sử dụng bộ lọc cao tần RC. Chọn theo kinh nghiệm: R = 5. 1 (Ω) và C = 0. 25µF. PHẦN 2 Tính toán và thiết kế mạch điều khiển Mạch điều khiển là khâu quan trọng trong máy hàn TIG, nó quyết định đến độ ổn định và tính năng hoạt động của máy. Ngoài ra phương pháp điều khiển cũng quết định đến chất lượng, giá thành, kích thước, trọng lượng của máy hàn. Với phương án chọn điều khiển bằng tần số cao sẽ giảm nhỏ kích thước, trọng lượng máy hàn đi rất nhiều do giảm được kích thước và trọng lượng máy biến áp hàn. I.Tính toán mạch điều khiển. 1. Nguyên lí điều khiển Nhiệm vụ mạch điều khiển đưa ra các thời điểm đóng mở các van IGBT hợp lý, nhằm duy trì dòng hàn ở một giá trị đặt. Trong mạch động lực dạng sóng điện áp của thứ cấp biến áp như sau: Hình 2.1: Dạng sóng điện áp thứ cấp Trong đó: Td là thời gian dẫn của van Tck chu kỳ chuyển mạch U2 là điện áp thứ cấp Dạng sóng điện áp sau chỉnh lưu : Hình 2.2: Dạng sóng điện áp sau chỉnh lưu Điện áp cung cấp cho cực hàn là: Uhàn = (2.1) = Td/ Tck Muốn ổn định dòng hàn ta thay đổi điện áp hàn theo tín hiệu dòng hàn đưa về . Theo phương trình trên để thay đổi điện áp hàn ta thay đổi tức thay đổi Td hoặc Tck, thường giữ cố định Tck và thay đổi khoảng dẫn của van ( thay đổi Td). Vì vậy để ổn định dòng hàn ở các giá trị khác nhau mạch điều khiển có khả năng thay đổi độ rộng xung với tần số chuyển mạch cố định. Trong mạch điều khiển có khâu tạo xung với nhiệm vụ tạo ra tần số cố định và có khả năng thay đổi độ rộng xung ,ngoài ra có phần lấy tín hiệu dòng và truyền tín hiệu tới bộ tạo xung nhằm thay đổi độ rộng xung. Khi dòng hàn lớn hơn giá trị đặt mạch điều khiển phải giảm điện áp hàn tức giảm Td. Ta sẽ có phương trình. Uđk = Uđặt- Uph (2.2) Trong phương trình trên Uđk là tín hiệu thay đổi đô rộng xung. Uđặt là tín hiệu duy trì dòng hàn ở giá trị xác định. Uph là tín hiệu dòng hàn. Khối tạo xung đưa ra thời điểm đóng mở van , để đóng mở van đúng thời điểm trong mạch điều khiển có mạch khếch đại tác dụng truyền tín hiệu mở van và tạo ra dạng xung phù hợp để mở van. 2. Sơ đồ khối mạch điều khiển. Hình 2.3: Sơ đồ khối mạch điều khiển tổng quát Ngoài những phần cơ bản trên mạch điều khiển còn có thêm phần: điều khiển phản hồi, điều khiển cao áp , và khối tạo nguồn nuôi. Trong mạch điều khiển quan trọng nhất là khối tạo xung. Nhiệm vụ khối tạo xung tạo ra hai xung có dạng chữ nhật tần số cố định và độ rộng xung có thể thay đổi. Theo yêu cầu mạch lực là mạch điều khiển bán cầu, tại mỗi thời điểm chỉ có một van dẫn do đó dạng xung tạo trên hai kênh lệch pha nhau . Hình2.4: Dạng xung tạo ra trên hai kênh điều khiển. Độ rộng xung kênh A bằng độ rộng xung kênh B, đảm bảo 2 van có thời gian dẫn bằng nhau. Khối điện áp đặt có tác dụng đưa ra mức điện áp thay đổi độ rộng xung, tương ứng thay đổi dòng hàn. Giả sử cần hàn ở dòng 250A ta đặt Uđặt=5V khi hàn dòng nhỏ ta giảm điện áp đặt. Khối phản hồi có tác dụng lấy tín hiệu dòng qua điện trở Shunt dưới dạng điện áp , sau đó khếch đại . Do điện áp đưa về tối đa 75mv tương ứng dòng hàn 300A ,với điện áp như vậy rất nhỏ có thể điều khiển nên phải khuếch đại trước khi phối hợp với điện áp đặt. Khối khếch đại có nhiệm vụ tạo ra dạng xung phù hợp để mở van IGBT . Dạng xung phù hợp là xung có độ rộng bằng khoảng dẫn của van có biên độ đủ để mở IGBT ở mức điện áp 12V-15V, ngoài ra sườn trước của xung phải thẳng. Khối khếch đại còn cách ly giữa mạch điều khiển và mạch lực. 3. Khối tạo xung. 3.1. Các phương pháp tạo dạng xung điều khiển 3.1.1. Sử dụng vi xử lý : một số dòng vi xử lý có khối điều chế độ rộng xung như AVR , PIC ... một số họ khác sử dụng tín hiệu ngắt thay đổi độ rộng xung. Về ưu điểm sử dụng vi xử lý có thể thay đổi tần số xung ra bằng phần mềm một cách đơn giản và có thể thay đổi độ rộng xung bằng tín hiệu phản hồi về qua bộ ADC. Nhưng vi xử lý làm việc kém ổn định với nhiễu bên ngoài do đó cần biện pháp chống nhiễu. Đối với loại máy hàn TIG trong mạch có phần cao áp tần số hoạt động hàng trục KHz rất dễ gây nhiễu cho vi xử lý. 3.1.2. Sử dụng khếch đại thuật toán opam phối hợp R ,C tạo mạch tạo tần số có tần số theo người thiết kế, máy hàn làm việc ở 25KHz mạch tạo ra tần số 50Khz sơ đồ khâu này như sau: Hình2. 5: Cách tạo xung cao tần sử dụng OPAM phối hợp RC R1 R2 A1 R3 R4 R5 VR1 C1 A2 Hoạt động của khâu này như sau: Đầu vào V+ có hai tín hiệu, một tín hiệu không đổi lấy từ đầu ra của A1, một tín hiệu biến thiên lấy từ đầu ra của A2. Điện áp chuẩn so sánh để quyết định đổi dấu điện áp ra của A1 là trung tính vào V-. Giả sử đầu ra của A1 dương UA1 > 0, khuếch đại A2 tích phân đảo dấu cho điện áp có sườn đi xuống của điện áp tựa. Điện áp vào V+ lấy từ R1 và R2, hai điện áp này trái dấu nhau. Điện áp vào qua R2 biến thiên theo đường nạp tụ, còn điện áp vào qua R1 không đổi, tới khi nào UV+ = 0 đầu ra của A1 đổi dấu thành âm. Chu kì điện áp ra của A1 cứ luân phiên đổi dấu như vậy cho ta điện áp ra sóng vuông đầu A1 và tam giác cân đầu A2 . Hình 2.6: Dạng sóng điện áp tam giác Sóng điện áp dạng tam giác cân đầu ra A2 được so sánh với điện áp điều khiển , tại thời điểm điện áp tựa bằng điện áp điều khiển phát lệnh mở van hoặc khoá van. Tại sườn lên của xung phát lệnh mở van thì tại sườn xưống phát lệnh khoá van. Dạng điện áp sau khi qua khối so sánh được đưa vào khâu đếm xung , nhằm tạo ra hai xung điều khiển cho hai cặp van với độ rộng xung như nhau và lệch pha nhau . Với cách tạo xung như trên xung ra khá ổn định, nhưng việc hiệu chỉnh các sai số do linh kiện khá phức tạp. 3.1.3.Sử dụng IC chuyên dụng: Hiện nay có nhiều hãng chế tạo IC chuyên dụng với mục đích điều chế độ rộng xung( PWM ) . Các IC làm việc ổn định với tần số hàng chục KHz có thể đưa ra một kênh xung dùng băm áp, hoặc hai kênh xung dùng lái cầu H hoặc mạch bán cầu tuỳ loại IC sử dụng. Một số IC thường được sử dụng được kể tên: TL494, SG1526, SG3525, SG3526… **Tạo xung bằng IC chuyên dụng SG3526 Trong mạch điều khiển để tạo ra hai kênh xung có thể điều biến độ rộng như mong muốn chúnh ta có thể sử dụng IC SG3526, linh kiện này dễ sử dụng và làm việc khá ổn định trong môi trường công nghiệp. Tất cả những khâu chức năng được tích hợp sẵn. Và đầu ra cho hai kênh xung lệch pha nhau 180 độ. + Mô tả IC SG3526: Hình2.7: Sơ đồ chân IC chuyên dụng SG3526 Hình 2.8: Sơ đồ các khối chức năng bên trong IC SG3526 ** Một số sơ đồ ghép nối vào ra của IC SG3526 được chỉ ra dưới đây: Hình2.9 : Sơ đồ mạch điều khiển bán cầu lái bằng biến áp xung Hình 2.10: Mạch biến đổi Hình 2.11: Mạch kết thúc Flyback giới hạn dòng điện. đơn dùng SG3526 Hình 2.12.Mạch lái push-pull Hình 2.13: ứng dụng điều khiển sử dụng SG3526 MOSFET tần số cao IC gồm 18 được mô tả như trên hình 2.7. Hai chân đưa xung ra là chân 13 và chân 16. Dạng xung đầu ra như sau: Hình 2.14 :Dạng xung đầu ra IC SG3526 Mức điện áp ra phụ thuộc vào mức điện áp đặt vào chân 14. Để tạo tần số mong muốn phải mắc điện trở RT vào chân 9, tụ CT vào chân 10. Để thay đổi độ rộng xung ta cấp một điện áp vào chân 3, hoặc đưa điện áp vào chân +Error( chân 1) và điện áp khác vào chân –Error( chân 2). Mức điện áp thay đổi độ rộng xung là: VCOMPENSATION = 0.4V độ rộng xung 0% (2.3) VCOMPENSATION = 3.6V độ rộng xung 50% Với điện áp VCOMPENSATION là điện áp ở chân 3. Vì vậy để có độ rộng xung mong muốn ta phải tính toán điện áp đặt vào chân 1 và chân 2. Hai chân 1 và chân 2 sử dụng lấy tín hiệu điện áp đặt và tín hiệu điện áp phản hồi. Chân 11 là chân RDEADTIME khi không có tín hiệu vào chân này độ rộng xung ra phụ thuộc vào điện áp chân 3. Nhưng khi điều khiển mạch cầu độ rộng xung lớn có thể dẫn đến trùng dẫn, vì vậy đảm bảo tránh trùng dẫn ta có thể đưa tín hiệu vào chân 11 khi đó xung ra ở mức thấp. Chân 5 là chân Reset khi có tín hiệu điện áp thấp vào chân 5 xung ra được dập về 0v. Trong máy hàn ta có thể sử dụng chức năng này bảo vệ quá nhiệt cho biến áp tần số cao, khi biến áp quá nhiệt ta sử dụng cảm biến nhiệt đưa tín hiệu điện áp thấp vào chân 5 xung ra được dập tắt, toàn bộ hệ thống ngừng hoạt động, đảm bảo an toàn cho máy và các thiết bị khác. Ngoài chức năng điều chế độ rộng xung SG3526 có thể sử dụng như mạch ổn áp do chân 18 tạo ra điện áp chuẩn 5V. Nguồn cấp cho IC cấp vào chân 17 và chân 15, với chân 15 là chân đất và chân 17 là chân nguồn. * Một số tham số chính của IC SG3526 Tần số làm việc 1Hz- 400 KHz Điện áp nguồn cấp 8V- 35V (VCC). Điện áp cấp cho collector 4.5V-35V (VC). Dòng cấp cho đầu ra max 100mA. Dòng cấp cho tải nếu sử dụng nguồn điện áp chuẩn 5V( chân 18) tối đa là 20mA. Điện trở tạo dao động 2K-150K. Tụ điện tạo dao động 0.001 -20 . Độ rộng xung 3%-50%. 4. Khối phản hồi 4.1. Nguyên tắc phản hồi. Giả sử điện áp điều khiển độ rộng xung được ký hiệu Uđk. Ký hiệu D là độ rộng xung: 0% < D < 50%. Để tránh trùng dẫn độ dẫn tối đa của van là 40% do đó Dmax= 40%. Khâu phản hồi có sơ đồ khối như sau: Hình 2.14: Sơ đồ khối khâu phản hồi Ta có Uđk= Uđặt- K1.Uph. (2.4) Khâu phản hồi có nhiệm vụ giữ cho dòng điện có giá trị không đổi bằng giá trị đặt bằng 250A. Tương ứng giữ cho độ rộng xung không đổi bằng 40%. Khâu phản hồi lấy tín hiệu dòng dưới dạng điện áp thông qua điện trở shunt sau đó khuyếch đại , ngoài ra hạn chế độ rộng xung không vượt qua giới hạn 40% . Vì vậy trong mạch phản hồi có thêm khâu bão hoà. Khâu này có tác dụng khi điện áp vào tăng điện áp ra tăng tuyến tính nhưng tăng tới giới hạn nhất định đầu ra không tăng được nữa và rơi vào vùng bão hoà. Trong công thức (1.6) ở trên giả sử dòng điện hàn tăng khi đó K1.Uph tăng dẫn đến Uđk giảm độ rộng xung giảm vì quan hệ giữa D và Uđk là: D = K2 .(Uđk - 0.3) (2.5) Khi D giảm Utải giảm và dòng ra sẽ giảm về giá trị đặt. Ngược lại nếu I giảm Uđk sẽ tăng và D tăng, điện áp tải tăng và dòng hàn sẽ tăng về giá trị dòng hàn đặt ban đầu. Tại thời điểm ban đầu khi chưa có tín hiệu phản hồi về, khi đó Uđk = Uđkmax = Uđặt điện áp ra có giá trị lớn nhất vì vậy dễ tạo hồ quang, nhưng nếu không có mạch bão hoà D > 40% rất nguy hiểm cho van lực vì dễ xảy ra hiện tượng trùng dẫn giữa hai van IGBT công suất. 4.2.Khâu khuếch đại tín hiệu phản hồi. Hình 2.15Khâu khuếch đại tín hiệu phản hồi từ điện trở shunt dùng KĐTT Tín hiệu phản hồi (thường ở dạng điện áp) sau khi tách ra thường được sử lý và khuyếch đại để đưa vào so sánh với tín hiệu điện áp đặt để tạo ra các xung điều khiển thích hợp. Người ta thường sử dụng các bộ khuyếch đại thuật toán( KĐTT) để khuyếch đại tín hiệu phản hồi nhằm tạo ra một giá trị điện áp tuyến tính đủ lớn để so sánh với tín hiệu điện áp đặt trước. Trước khi tín hiệu được đưa qua KĐTT, nó thường được hiệu chỉnh thành tín hiệu chuẩn và tuyến tính để đảm bảo phản ánh có sai số ít nhất với tín hiệu cần ổn định ở đầu ra của yêu cầu công nghệ mà ở đây chúng ta đang xét là dòng điện hàn. 4.3. Phân loại phản hồi trong máy hàn. Trong các loại máy hàn người ta thường sử dụng hai phương pháp phản hồi điển hình: Sử dụng biến dòng BI, lấy tín hiệu điện áp ra tỷ lệ với dòng điện hàn và thực hiện hồi tiếp âm tín hiệu này. Ở các loại máy này biến dòng BI được mắc ở sơ cấp hoặc thứ cấp của máy biến áp hàn. Tín hiệu điện áp phản hồi được khuyếch đại và đưa vào so sánh với điện áp đặt để tạo ra tín hiệu điều khiển đóng cắt các van động lực. Phương pháp này dễ dàng cho tín hiệu áp phản hồi. Tuy nhiên phương pháp này có nhiều hạn chế do nó không phản ánh được tín hiệu dòng hàn một cách trực tiếp. Do đó có sai số về độ ổn định dòng điện đầu ra. Ở các yêu cầu cao về chất lượng điện ở đầu ra hàn người ta thường phản hồi bằng điện Shunt điện trở, mắc trực tiếp tại đầu ra hàn. Phương pháp này cho độ ổn định của dòng hàn rất cao vì nó phản ánh đúng nhất sự biến đổi của dòng điện hàn tại đầu ra. Tuy nhiên cách tính toán cho khâu phản hồi là khá phức tạp, do dòng đầu ra không hẳn là dòng một chiều. 5. Khâu khuếch đại Nhiệm vụ của khâu này là tạo ra xung điều khiển đủ lớn cả về biên độ và thời gian để van mở và đóng đúng thời điểm, ngoài ra khâu này còn phải cách ly giữa mạch động lực và điều khiển . Với loại van lực sử dụng là van IGBT đối với loại van này có những yêu cầu riêng về tín hiệu điều khiển . IGBT là phần tử điều khiển bằng điện áp nên yêu cầu điện áp có mặt liên tục trên cực điều khiển và emitơ để xác định chế độ khoá, mở. Mức điện áp để mở IGBT chế độ bão hoà thường chọn 15V. Khi khoá tín hiệu điều khiển phải ngắt hoặc đưa về mức điện áp âm , với mức điện áp âm khi khoá góp phần giảm tổn thất công suất trên mạch điều khiển. Để tạo mức điện áp âm thường điều khiển bằng biến áp xung sơ đồ điều khiển như sau: Hình 2.16: Tạo điện áp điều khiển sử dụng biến áp xung Trong sơ đồ trên điện áp vào là điện áp xoay chiều dạng xung với mức điện áp 15V dạng điện vào sơ cấp như hình vẽ: Hình 2.17: Dạng xung điều khiển tạo ra bằng biến áp xung Dạng điện áp trên thứ cấp biến áp xung , điện áp điều khiển vào cực G và điện áp Uce của van mô tả như hình vẽ. Dạng điện áp thứ cấp không có dạng giống sơ cấp do mạch từ bị bão hòa. Khi mạch từ bị bão hoà điện áp thứ cấp bằng không , khi điện áp thứ cấp dương D1 phân cực thuận điện áp đặt vào cực G của IGBT và van được mở. Khi mạch từ bão hoà điện áp thứ cấp bằng 0, D1 phân cực ngược, và mosfet Q1 vẫn chưa dẫn do đó điện tích được tích trong tụ Cge giữ cho van thông hoàn toàn. Khi điện áp sơ cấp đổi chiều khi đó mosfet Q1 sẽ dẫn và điện áp đặt lên cực G là âm và khoá van IGBT . Với cách mở van như trên có ưu điểm tạo dạng điện áp điều khiển có xung âm ưu điểm trong vịêc khoá van, nhưng việc tính toán biến áp xung là vấn đề phức tạp khi tính toán không chính xác xung ra không vuông và sườn trước không thẳng van có thể không mở được. Một cách khác thường được sử dụng để tạo điện áp mở thông IGBT là sử dụng IC lái IR2110. Đây là IC chuyên dụng dùng mở mosfet và IGBT làm việc ở tần số cao. IC này có thể điều khiển đồng thời hai kênh A và B. Với điều kiện kênh A mở phần dương và kênh B mở phần âm và hai kênh này mở không mở đồng thời tức là dạng tín hiệu điều khiển kênh A và kênh B như sau: Hình 2.18: Tạo xung điều khiển mở IGBT sử dụng IC IR2110 IC này rất phù hợp dùng lái IGBT trong mạch bán cầu vì hai van không mở đồng thời và xung điều khiển hai van mở không trùng nhau lệch nhau 180độ. Sơ đồ chân của IC IR2110: Hình 2.19: Sơ đồ chân IC chuyên dụng IR2110 Chức năng của các chân như sau : Chân 3 Vcc là chân cấp điện áp nguồn . Chân 13 đất của điện áp logic . Chân 10 tín hiệu vào logíc điều khiển mở van kênh A. Chân 12 tín hiệu vào logíc điều khiển mở van kênh B. Chân 7 điện áp ra dùng mở van, cấp vào cực G của kênh A. Chân 1 điện áp ra dùng mở van, cấp vào cực G của kênh B. Chân 6 dùng cấp điện áp vào cho chân HO giả sử khi có tín hiệu HIN điện áp ra VHO=VB. Chân 5 chân Vs là chân nối cực E của van được mở trong kênh A. Chân 2 chân com là chân nối cực E của van được mở trong kênh B. Chân 9 đầu vào mức logic Chân 11 SD là chân shutdown khi tín hiệu mức logíc thấp được cấp vào tất cả xung ra của hai chân HO và LO bị dập. II. Thiết kế điều khiển. Theo các phân tích và đánh giá ở trên, mạch điều khiển được lựa chọn để thiết kế bao gồm: Khâu tạo xung sử dụng IC chuyên dụng SG3526, khâu phản hồi sử dụng IC TL084, phần khuếch đại và lái mạch điều khiển sử dụng IC IR2110. Sơ đồ khối tổng quan cho mạch điều khiển được thiết kế: Hình2.20: Sơ đồ khối mạch điều khiển thiết kế Các tính toán cụ thể như sau: 1.Khối tạo xung. Sử dụng IC chuyên dụng SG3526 để tạo ra 2 kênh xung theo yêu cầu. Với độ rộng tối đa là 41%, đảm bảo tránh trùng dẫn cho hai van IGBT ở mạch lực. Độ rộng xung có thể thay đổi khi thay đổi điện áp đặt hay khi tín hiệu phản hồi được đưa về từ Shunt điện trở đầu ra. Sơ đồ khâu tạo xung sử dụng IC SG3526: Hình2.21 : Sơ đồ khâu tạo xung sử dụng IC SG3526 ***Tính toán và lựa chọn linh kiện tạo tần số 25Khz bằng IC SG 3526 Hình 2.22: Đồ thị quan hệ RT, CT trong khâu tạo xung tần số cao Đồ thị trên thể hiện mối quan hệ giữa CT, RT với chu kỳ T của mạch tạo dao động. Với tần số làm việc của máy là 25Khz tương ứng chu kỳ là : T = = =0.04(ms) (2.6) Theo đồ thị trên ta chon tụ CT = 0.01uF tương ứng RT= 7 KΩ . * Tính toán nguồn cấp cho IC SG3526: Phạm vi điện áp cung cấp cho IC từ 8V-35V. Theo Datasheet của linh kiện điện áp nhà sản xuất khuyên sử dụng 15V. Với điện áp này ta dễ dàng tạo ra bằng IC ổn áp. Chọn mức điện áp ra cho kênh Avà kênh B là 15V. Như vậy với nguồn cấp 15V cho IC vừa tạo điện áp nuôi IC và tạo điện áp ra cho hai kênh xung. Do đó hai chân 14 và 17 cùng nối lên nguồn 15V. Để tránh nhiễu cho IC do sử dụng nguồn một chiều từ bên ngoài, giữa điện áp cấp và đất được nối qua tụ lọc gồm 3 tụ 47nf mắc song song như hình vẽ: Hình2.23: Tụ chống nhiễu cho xung ra IC SG3526 Điện áp chuẩn 5V ở chân 18 được nối với đất qua tụ hoá 10uF, ngoài ra giữa chân 4 và đất được mắc qua tụ không phân cực 22nF. Trong IC có chân Shutdown chân 8 với chức năng ngắt xung khi đưa mức điện áp thấp vào. Vì không sử dụng chức năng của chân này ta treo chân 8 lên mức cao 5v của điện áp chuẩn ( chân 18) qua trở 20K. Để có thể tạo ra xung trên hai chân 13 và 16 ta cần tính toán sao cho điện áp ở chân 3 nằm trong khoảng 0.3V÷3.6V . Với áp vào các chân 1 và 2 và đầu ra chân 3 là đầu ra của bộ khuếch đại vi sai. Để tạo thành bộ khuếch đại vi sai ta mắc thêm giá trị trở vào chân 1 và chân 2. Phần tính toán phản hồi sẽ tính cụ thể các giá trị điện trở này. 2.Khâu phản hồi. Hình2.24: Sơ đồ Khâu phản hồi *Tính toán linh kiện mạch phản hồi. Trước hết ta sẽ tính từ khâu bão hoà Theo Datasheet của IC SG3526 Uđk =0.3V D =0% (2.7) Uđk=3.6V D =50% Vì vậy để D =40% thì Uđk = 2.64V. Trong mạch bão hoà ta thiết kế sao cho điện áp bão hoà Ubh =2.64V. Với điện áp vào Uvào là điện áp phản hồi sau khi khuếch đại và điện áp đặt. Trong khoảng 0÷Ung điện áp vào ra quan hệ tuyến tính. Với Uvào > Ung thì Uđk=2.64V= constant. Các tính toán trên thông qua mạch tạo điện áp điều khiển sau: Hình2.26: Sơ đồ khối chức năng bên trong hai đầu vào E+ và E- của SG3526 với đồ thị ghim áp điều khiển. Trong sơ đồ trên khi D1 chưa dẫn mạch có tác dụng như khối khuếch đại đảo và điện áp ra Ur Ur = (2.8) Anod của D1 được nối với bộ chia áp để khống chế khoảng mở của D1. Catod của D1 nối với VM- và VM+ = VM- = 0V. Khi điện áp ra nhỏ hơn một giá trị, điện áp trên anod âm hơn trên catod D1 phân cực ngược không dẫn. Khi điện áp ra tăng tới một giá trị D1 phân cực thuận D1 dẫn và điện áp tại điểm phân áp bằng VM- = 0V và điện áp ra giữ mức bằng điện áp đã được chỉnh qua phân áp . Chọn điện áp Uđặt = 5V Chọn điện áp Un = 5V Chọn R1 = R2 = R0 . Chọn khuếch đại thuật toán TL084 với các thông số: Điện áp nguồn nuôi : Vcc = ± 18V chọn Vcc =± 12 V Hiệu điện thế giữa hai đầu vào : ± 30 V Nhiệt độ làm việc : T = -25÷ 85 Công suất tiêu thụ : P = 680 mW = 0,68 W Tổng trở đầu vào : Rin= 106 MΩ Dòng điện đầu ra : Ira = 30 pA. Tốc độ biến thiên điện áp cho phép: du/dt = 13 V/μs. Chọn R1= R2 > = =12 (). Trong đó nếu nguồn nuôi cung cấp 12V, điện áp Uv ≈ 12V dòng điện vào hạn chế 1mA. Do đó chọn R1 =R2 = R0 =15 (kΩ) Biến trở dùng để phân áp có phải có giá trị nhỏ.Nếu biến trở này có giá trị lớn khi D1 dẫn không nối tắt được R0. Khi đó giá trị của Ur ngoài điện áp phân áp còn có điện áp khuếch đại. Chọn diode D1 là 1N4002. Khi chọn R1 =R2 = R0 =15 (kΩ). Quan hệ giữa điện áp ra Ur và các điện áp vào( gồm Uđặt và Uph) được xác định: Ur = Uđặt – Uph (2.9) Với điện áp Uđặt = 5V Ur =2.64V Uph = Uđặt – Ur =5 - 2.64 = 2.36V (2.10) Lấy tín hiệu phản hồi dòng từ điện trở Shunt với giá trị 300A/75mV do máy làm việc ở 250A điện áp từ Shunt đưa về : Us = 62.5 mV Ta thiết kế khâu khuếch đại không đảo với hệ số khuếch đại là: KKĐ= == 37.76 (2.11) Do tín hiệu đưa về từ shunt không có dạng một chiều tuyệt đối ngoài thành phần một chiều còn có các xung nhọn ta dùng tụ lọc đầu vào với giá trị tụ lọc C = 0.1nF. Trong sơ đồ trên tín hiệu từ shunt đưa vào chân trừ và tín hiệu ra được tính theo công thức Uph = Us. (2.12) Và hệ số khuếch đại KKĐ= = 37.76 (2.13) Ta chọn R3=R4, khi đó =75.52 (2.14) Vậy R2= 74.52.R1 (2.15) Nếu chọn R1=2. thì: R2= 149.04 chọn theo chuẩn R2 = 150. Chọn R3= R4= 15. Vậy sơ đồ phản hồi được thiết kế như hình vẽ. Với giá trị linh kiện như sau: R3= 15 R4= 15 R1= 2 R2= 150 (2.16) R5=15 R6= 15 R0= 15 C = 0.1nF Khi tính toán phần phản hồi ta tính toán máy làm việc với dòng hàn khác nhau. Để thay đổi dòng hàn ta thay đổi điện ấp đặt phạm vi làm việc với máy từ 25A ÷ 250A vì vậy Uđặt thay đổi trong phạm vi Umin ÷ Umax, với Umax =5V ta tiếp tục tính Umin. Uđặt min tương ứng dòng hàn 25A và độ rộng xung D =4% Uđk == 0.264V (2.17) Uph= = 6.25mV (2.18) Uđặt min = = 0,5V Vậy Uđặt thay đổi trong khoảng 0.5V ÷ 5V tương ứng dòng hàn thay đổi từ 25A÷ 250A. 3. Khâu khuyếch đại và truyền xung điều khiển. Sơ đồ nguyên lý mạch lái điều khiển IGBT: Hình2.27: Sơ đồ nguyên lý khâu lái IGBT sử dụng IC IR2110 Hình 2.28: Sơ đồ các khối chức năng bên trong IC IR2110 Để tạo điện áp dạng xung ở đầu ra chân HO và LO có tín hiệu logic đầu vào chân Hin và Lin ở mức cao. Chân Hin nối chân OUT A và chân Lin nối chân OUT B của IC tạo xung SG3526. Do mức điện áp ra của SG3526 là 15V vậy chân Vdd phải được cấp bởi điện áp 15V làm mức điện áp logic. Giữa chân Vdd và chân Vss được mắc bởi tụ 100nF. Hai tụ C1 và C2 là hai tụ boostrap. Khi Vs được kéo xuống đất tụ C1 được nạp qua Diod tạo điện áp Vbs Chọn C1=C2= 470Nf. (2.19) Điện trở mắc thêm vào cực G là Rg. Điện trở Rg cũng ảnh hưởng đến tổn hao công suất điều khiển ,điện trở Rg nhỏ giảm thời gian xác lập tín hiệu điều khiển, giảm ảnh hưởng của dUCE/dt, giảm tổn thất năng lượng trong quá trình điều khiển, nhưng lại làm mạch điều khiển nhạy cảm hơn với điện cảm ký sinh trong mạch điều khiển. Chọn Rg=22Ω. (2.20) 4. Mạch điều khiển cao áp. Mạch điều khiển cao áp có tác dụng đóng cắt mạch cao áp đúng thời điểm trong chế độ hàn TIG. Tại thời điểm ban đầu, đầu mỏ hàn đặt gần vật hàn lúc đó chưa có hồ quang, mạch điều khiển cao áp đưa ra tín hiệu đóng cuộn cao áp làm cho điện áp giữa hai điện cực có áp cao và tần số cao dễ sinh hồ quang. Khi hồ quang phát sinh mạch điều khiển phải cấp tín hiệu cắt cao áp, để điện áp giữa điện cực là điện áp hồ quang Uhq. Dựa vào yêu cầu trên để điều khiển mạch cao áp ta lấy tín hiệu điện áp từ hai điện cực, khi chưa có hồ quang điện áp giữa hai điện cực lớn đưa ra tín hiệu đóng cao áp. Khi hồ quang phát sinh điện áp giảm và tới ngưỡng nhất định cắt cao áp. Trong mạch điều khiển cao áp ta sử dụng khâu so sánh nhằm tác dụng so sánh điện áp hai điện cực với điện áp chuẩn, khi điện áp nhỏ hơn áp chuẩn ngắt cao áp và khi áp lớn đóng cao áp Sơ đồ khâu điều khiển cao áp được chỉ ra dưới đây: Hình2.28: Sơ đồ mạch điều khiển cao áp. Trong sơ đồ trên biến trở 100K dùng chỉnh định điện áp ngắt và điện trở 10K dùng làm phân áp cho đầu vào V+ của khuyếch đại thuật toán, khi đó điện áp : V+ = (2.21) Vh là điện áp dương hàn, âm hàn nối chung đất của mạch điều khiển. Muốn cắt cao áp ở điện áp hàn Vh= 30V ta chỉnh biến trở giá trị RVR >50 KΩ tương ứng V+ < 5V. Tức điện áp đầu ra bộ so sánh. Tại thời điểm ban đầu Vh > 30V, V+ giữ mức điện áp bằng điện áp ổn áp 6.2V. Và điện áp V- giữ ở điện áp 5V nên V+ > V- đầu ra của bộ so sánh có điện áp ngưỡng dương, do đó transitor thông và relay kích hoạt cao áp tác động. Phần năng lượng tích trong cuộn dây relay được xả qua một diode mắc song song hai đầu cuộn dây. Sơ đồ điều khiển tổng thể được chỉ ra dưới đây: Hình : Sơ đồ tổng quát mạch điều khiển