Máy hàn điện
. Phân loại Hiện nay hàn điện là một phương pháp ghép nối các chi tiết được dùng rộng rãi trong công nghiệp, trong xây dựng, trong ngành chế tạo và sửa chữa máy. Hàn điện có những ưu điểm nổi bật với phương pháp ghép nối khác như tán đinh, rivê, bulông, êcu nhờ: - Tiết kiệm nguyên vật liệu - Độ bền cơ học mối ghép nối cao. - Giá thành hạ, năng suất cao. - Dễ dàng thực hiện cơ khí hoá và tự động hoá quá trình công nghệ ở mức cao. Các phương pháp hàn...
45
Chương 5
MÁY HÀN ĐIỆN
5.1 Khái niệm chung
1. Phân loại
Hiện nay hàn điện là một phương pháp ghép nối các chi tiết được dùng
rộng rãi trong công nghiệp, trong xây dựng, trong ngành chế tạo và sửa chữa
máy.
Hàn điện có những ưu điểm nổi bật với phương pháp ghép nối khác như
tán đinh, rivê, bulông, êcu nhờ:
- Tiết kiệm nguyên vật liệu
- Độ bền cơ học mối ghép nối cao.
- Giá thành hạ, năng suất cao.
- Dễ dàng thực hiện cơ khí hoá và tự động hoá quá trình công nghệ ở mức
cao.
Các phương pháp hàn điện rất đa dạng và nhiều loại máy hiện đại được sử
dụng trong các ngành công nghiệp khác nhau. Phân loại các phương pháp
hàn điện một cách tổng thể được biểu diễn trên hình 5.1
Hình 5.1. Phân loại các phương pháp hàn điện
2. Các yêu cầu kỹ thuật đối với nguồn hàn
Để đảm bảo chất lượng của mối hàn, nâng cao năng suất của máy hàn,
nguồn hàn của các máy hàn phải đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật sau:
a) Điện áp không tải
Đối với công nghệ hàn điện yêu cầu điện áp thấp và dòng hàn lớn, cho nên
nguồn hàn nhất thiết phải có biến áp hàn để hạ điện áp. Điện áp không tải ở
đây chính là điện áp thứ cấp không tải của biến áp hàn (BAH).
46
+ Đối với công nghệ hàn hồ quang, điện áp không tải phải lớn hơn điện áp
mồi hồ quang.
- U20min= (50 ÷ 60)V đối với nguồn hàn xoay chiều.
- Ud0min= (45 ÷ 55)V đối với nguồn hàn một chiều.
+ Đối với công nghệ hàn tiếp xúc U20 = (0,5 ÷ 10)V.
b) Bội số dòng dòng ngắn mạch không được quá lớn λi
I nm
λi = = 1,2 ÷ 1,4 (5.1)
I2
Trong đó: λi - bội số dòng ngắn mạch;
Inm- trị số dòng điện ngắn mạch, A;
I2 - trị số dòng điện hàn định mức, A.
c) Nguồn hàn phải có khả năng điều chỉnh được dòng hàn
d) Đặc tính ngoài của nguồn hàn.
Đặc tính ngoài của nguồn hàn hay còn gọi là đặc tính Vôn – ampe của
nguồn hàn biều diễn sự phụ thuộc của điện áp hàn vào dòng hàn U2= f(I2).
Khi mạch hàn hở (I2 =0), điện áp hàn chính là điện áp không tải của nguồn
hàn (U20 - điện áp thứ cấp không tải của biến áp hàn).
Dạng đặc tính ngoài của máy hàn có hai loại:
- Dạng đặc tính ngoài cứng.
- Dạng đặc tính ngoài mềm
Khi chọn dạng đặc tính ngoài của nguồn hàn phải dựa vào các đặc điểm
đặc trưng của quá trình hàn như:
- Loại que hàn : que hàn nóng chảy, không nóng chảy.
- Tính chất của môi trường xảy ra quá trình hàn (hàn hở hồ quang, hàn
dưới lớp trợ dung, hàn trong khí bảo vệ).
- Mức độ cơ khí hoá của quá trình hàn (hàn bằng tay, tự động, bán tự
động).
a) b)
Hình 5.2 Đặc tính ngoài của nguồn hàn; a) đặc tính mềm; b) đặc tính ngoài cứng
47
+ Dạng đặc tính ngoài mềm (hình 5.2a) dùng cho các phương pháp hàn
sau:
- Hàn hồ quang bằng tay với que hàn rời.
- Hàn hồ quang trong khí bảo vệ (khí argon Ar) với que hàn vonfram (W).
- Hàn hồ quang tự động dưới lớp trợ dung.
Khi tốc độ cấp dây hàn vào vùng hàn phụ thuộc vào điện áp hồ quang.
- Nguồn hàn có dạng đặc tính ngoài mềm là bộ nguồn dòng. Dòng điện hàn
có thể điều chỉnh trong phạm vi từ I21 đến I22.
Điều chỉnh dòng hàn trong nguồn hàn có dạng đặc tính ngoài mềm có thể
thực hiện vô cấp và có cấp. Trong quá trình điều chỉnh dòng hàn, trị số của
điện áp không tải U20 = const. Trong trường hợp cần dòng hàn bé, phải tăng
trị số điện áp không tải (U’20 > U20).
Điện áp được tính theo biểu thức sau:
U2 = 20 + 0,04.I2 (5.2)
Độ dốc của đường đặc tính ngoài được chọn tuỳ thuộc vào phương pháp
hàn. Phương pháp hàn hồ quang trong khí bảo vệ dùng đường đặc tính ngoài
có độ dốc lớn nhất, kế đến là phương pháp hàn hồ quang bằng tay và sau đó
là công nghệ hàn hồ quang tự động dưới lớp trợ dung.
Điều chỉnh độ dài cung lửa hồ quang hàn trong quá trình hàn với họ đặc
tính ngoài mềm do người thợ hàn (hàn bằng tay) hoặc do hệ thống điều
chỉnh độ dài cung lửa hồ quang (hàn tự động).
+ Dạng đặc tính ngoài cứng (hình 5.2b), dùng cho phương pháp hàn hồ
quang tự động dưới lớp trợ dung khi tốc độ cấp dây hàn vào vùng hàn không
đổi và không phụ thuộc vào điện áp hàn.
Bộ nguồn hàn hồ quang có dạng đặc tính ngoài cứng là bộ nguồn áp. Điện
hàn được điều chỉnh trong phạm vi từ trị số thấp nhất U21 đến trị số lớn nhất
U22. Phạm vi điều chỉnh điện áp hàn phải phù hợp với phạm vi điều chỉnh
dòng hàn từ dòng hàn thấp nhất I21 đến dòng hàn lớn nhất I22.
Điều chỉnh điện áp hàn có thể thực hiện vô cấp và có cấp. Trị số dòng điện
hàn được chọn phụ thuộc vào tốc độ cấp dây hàn vào vùng hàn.
Điện áp hàn được tính theo biểu thức sau:
- Với dòng hàn tới 1000A:
U2 = 19 + 0,037I2 (5.3)
- Với dòng hàn tới 2000A:
U2 = 13 + 0,0135I2 (5.4)
3. Hệ số tiếp điện 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 hàn hết một que hàn
(τ1), thời gian ngắn nhất là thời gian để thay que hàn và mồi được hồ quang
(τ2).
48
Nguồn hàn hồ quang có tuổi thọ làm việc cao khi thoả mãn điều kiện:
Q1 = Q2 (5.5)
2.
Trong đó: Q1= 0,239.I Rτ1 - nhiệt lượng toả ra khi hàn với thời gian là τ1;
Q2= k(τ1 + τ2) - nhiệt lượng toả ra môi trường xung quanh
trong một chu kỳ làm việc τCK = τ1 + τ2
k - hệ số đặc trưng cho chế độ toả ra nhiệt của nguồn hàn.
Tính gần đúng, có thể coi hệ số k = const. Từ (5.5) ta có:
0,239.I22Rτ1 = k(τ1 + τ2) (5.6)
τ1 k
2
I2 . =
τ1 + τ 2 0,239 R
Trong đó:
τ1
tỷ số được gọi là hệ số tiếp điện tương đối TĐ% của nguồn hồ
τ1 + τ 2
quang.
τ1
TĐ%= .100% (5.7)
τ1 + τ 2
5.2. Các loại nguồn hàn
1. Nguồn hàn xoay chiều
Nguồn hàn xoay chiều được sử dụng phổ biến đối với công nghệ hàn hồ
quang bằng tay, hàn hồ quang tự động dưới lớp trợ dung, hàn hồ quang
trong khí argon máy hàn tiếp xúc.
Phần tử quan trọng trong nguồn hàn là biến áp đặc biệt gọi là biến áp hàn.
Biến áp hàn phổ biến nhất là biến áp hàn một pha, biến áp hàn ba pha
thường dùng cho nhiều đầu hàn.
Về cấu tạo, biến áp hàn thường chế tạo theo hai kiểu:
+ Máy biến áp hàn với từ thông tản bình thường: nó có hai thiết bị riêng rẽ,
lắp ráp trong một vỏ hộp chung gồm một biến áp hàn và một cuộn kháng.
+ Biến áp hàn với từ thông tản tăng cường có các loại sau:
- Có cuộn thứ cấp di động.
- Có shunt từ động.
Theo phương pháp điều chỉnh, dòng điện hàn được phân thành ba nhóm
máy hàn sau:
+ Điều chỉnh dòng hàn dùng cuộn dây và shunt từ động.
+ Điều chỉnh dòng hàn bằng phương pháp từ hoá mạch từ bằng dòng một
chiều.
+ Điều chỉnh dòng hàn bằng bộ điều áp xoay chiều.
a) Biến áp hàn có cuộn dây động
Biến áp hàn với từ thông tản tăng cường có cuộn dây động được biểu diễn
như trên hình 5.3
49
Hình 5.3 Máy biến áp hàn có cuộn dây động
a) cấu tạo; b) sơ đồ nguyên lý; c) Đặc tính điều chỉnh dòng hàn
Cấu tạo gồm có: mạch từ 3, cuộn dây cố định - cuộn sơ cấp của biến áp
hàn 1 và cuộn dây động - cuộn thứ cấp của máy biến áp hàn 2. Cuộn thứ cấp
có thể di chuyển dọc theo trụ giữa của mạch từ lồng vào trong lòng cuộn sơ
cấp bằng trục vít vô tận.
Thay đổi khoảng cách giữa hai cuộn dây, sẽ thay đổi điên kháng của biến
áp chính là thay đổi được dòng hàn (I2). Dòng hàn tỷ lệ nghịch với khoảng
cách giữa hai cuộn dây, và tỷ lệ đó là phi tuyến. Với khoảng cách giữa hai
cuộn dây càng lớn, hiệu quả điều chỉnh càng thấp. Để mở rộng phạm vi điều
chỉnh dòng hàn, dùng hai phương pháp điều chỉnh kết hợp.
- Điều chỉnh có cấp bằng cách thay đổi sơ đồ đấu dây cuộn sơ cấp và cuộn
thứ cấp từ song song qua nối tiếp. Giữ tỷ số biến áp và điện áp thứ cấp
không tải không đổi (KBA = const, U20 = const).
- Điều chỉnh vô cấp dòng hàn bằng cách thay đổi khoảng cách giữa hai
cuộn dây (a = var).
Trên hình 5.3c, đường 1 ứng với vị trí I của chuyển mạch CM (hình 5.3b:
cuộn dây đấu song song). Đường 2 ứng với vị trí II của chuyển mạch CM
(khi cuộn dây đấu nối tiếp).
b) Máy biến áp hàn có Shunt từ động
Biến áp hàn với từ thông tản tăng cường có shunt từ động được biểu diễn
trên hình 5.4.
Cấu tạo của nó gồm: cuộn dây sơ cấp 1 và cuộn thứ cấp 2 của biến áp hàn
được phân bố đối xứng trên mạch từ 3 của biến áp hàn. Shunt từ động 4 nằm
giữa hai cuộn dây. Shunt từ di chuyển đi sâu vào mạch từ của biến áp (hình
5.4 b) bằng tay quay hoặc bằng trục vit vô tận. Khe hở không khí δ là khe hở
giữa mạch từ của biến áp hàn và shunt từ động.
Điều chỉnh dòng hàn thực hiện bằng cách di chuyển shunt từ đi sâu vào
mạch từ với hành trình Z. Khi hành trình Z càng giảm, điện kháng của biến
50
áp hàn X của biến áp càng tăng và dòng hàn I2 càng giảm. Sự phụ thuộc của
điện kháng X của biến áp phụ thuộc vào vị trí của shunt từ được biểu diễn
trên hình 5.4c.
Hình 5.4 Biến áp hàn có shunt từ động
a) cấu tạo b) hành trình của shunt từ c) đặc tính điều chỉnh dòng hàn
c) Biến áp hàn với cuộn kháng ngoài có mạch từ động
Biến áp hàn với cuộn kháng ngoài có mạch từ động là loại biến áp hàn với
từ thông tản bình thường được biểu diễn trên hình 5.5
Hình 5.5. Biến áp hàn với cuộn kháng ngoài có mạch từ động
a) cấu tạo b) sơ đồ đấu dây c) đặc tính ngoài
Cấu tạo của biến áp hàn gồm có: cuộn dây sơ cấp 1, cuộn dây thứ cấp 2,
mạch từ 3, cuộn dây của cuộn kháng 4 đấu nối tiếp với cuộn thứ cấp của
biến áp hàn nhưng ngược cực tính và mạch từ động.
Điều chỉnh dòng điện hàn thực hiện bằng cách dịch chuyển mạch từ động 5
(thay đổi khe hở mạch từ). Khi khe hở mạch từ càng tăng, điện kháng X của
biến áp càng giảm và dòng hàn I2 càng tăng. Đặc tính ngoài được biểu diễn
trên hình 5.5c.
51
d) Biến áp hàn có cuộn kháng bão hoà
Biến áp hàn có cuộn kháng bão hoà là loại biến áp hàn từ thông tản bình
thường, điều chỉnh dòng hàn thực hiện bằng cách từ hoá mạch từ của cuộn
kháng bằng dòng điện một chiều. So với ba loại biến áp hàn kể trên nó có
các ưu điểm sau:
+ Trong lõi của biến áp hàn không
có phần động nén độ tin cậy và tuổi
thọ làm việc cao hơn
+ Phạm vi điều chỉnh dòng hàn
rộng.
Nhược điểm của nó là:
+ Tốn vật liệu Fe và Cu (vì cuộn
kháng bão hoà độc lập). Hình 5.6 Biến áp hàn có cuộn kháng bão hoà
+ Chỉ tiêu năng lượng không cao.
Cấu tạo của nó gồm hai phần tử chính: biến áp hàn BAH và cuộn kháng
bão hoà CKBH. Cuộn kháng bão hoà gồm hai cuộn dây: cuộn dây làm việc
W~ và cuộn điều khiển Wđk. Cuộn dây làm việc W~ đấu nối tiếp với cuộn thứ
cấp của biến áp hàn.
Trị số điện áp hàn bằng:
U2 = U20 - UW~ (5.8)
Trong đó: U20- điện áp thứ cấp không tải của biến áp hàn;
UW~- điện áp rơi trên cuộn làm việc của cuộn kháng báo hoà.
Điều chỉnh dòng hàn thực hiện bằng cách thay đổi trị số điện áp rơi trên
cuộn dây xoay chiều (W~) của cuộn kháng bão hoà bằng cách từ hoá mạch
từ bằng dòng điện một chiều Iđk. Khi dòng điều khiển Iđk trong cuộn dây điều
khiển càng tăng, điện kháng X của cuộn dây làm việc càng giảm dẫn đến
điện áp trên cuộn làm việc giảm làm cho điện áp U2 tăng để tăng dòng điện
hàn và ngược lại.
e) Biến áp hàn với bộ điều áp xoay chiều
Hình 5.7 Biến áp hàn với bộ điều áp xoay chiều; a) đặt phía sơ cấp; b) đặt phía thứ cấp
52
+ Cấu tạo của nó gồm hai thành phần riêng biêt: biến áp hàn BAH và bộ
điều áp xoay chiều ĐAXC. Bộ điều áp xoay chiều gồm có hai thyristor đấu
song song ngược 1T và 2T; khối điều khiển các thyristor KĐK và bảo vệ R-
C.
Phương pháp điều chỉnh dòng điện hàn thực hiện bằng cách thay đổi góc
mở α của hai thyristor tức là thay đổi trị số điện áp U2 chính là thay đổi được
dòng điện hàn I2.
Bộ nguồn này phù hợp cho các loại máy hàn tiếp xúc và máy hàn điện xì.
Bộ nguồn này không phù hợp với phương pháp hàn hồ quang, vì trong
khoảng thời gian các thyristor không dẫn sẽ gây ra hiện tượng khử ion hoá
nhanh dẫn đến đứt ngọn lửa hồ quang và việc mồi lại hồ quang sẽ khó khăn
hơn.
Hình 5.8 Sơ đồ nguyên lý của bộ ĐAXC; a) mạch điều khiển b,c) mạch lực
53
+ Khối điều khiển xung pha của bộ ĐAXC
Điều chỉnh dòng hàn I2 bằng cách điều chỉnh điện áp hàn U2. Điều đó thực
hiện bằng cách thay đổi góc mở α của hai thyristor 1T và 2T trong mạch lực.
(hình 5.8b,c).
- Mạch điều khiển (hình 5.8a)
Nguyên lý làm việc của mạch điểu khiển dựa trên hiện tượng nạp - phóng
tụ C1.
Nguồn cấp cho mạch điều khiển là điện áp chỉnh lưu hình thang (hình 5.8)
được cấp từ cầu chỉnh lưu Đ2 ÷ Đ5 và điôt ổn áp Đ1. Điện áp nguồn cấp bằng
điện áp ổn áp của điôt Đ1 (Ucc = 12V). C2, C3, R3 và R4 là mạch lọc vi - tích
phân chống ảnh hưởng của nhiễu lên mạch điều khiển.
Tốc độ nạp của tụ C1 phụ thuộc vào dòng colectơ của transito TR1. Dòng
colectơ của TR1 bằng:
U dk
ik = (5.9)
R1
Còn điện áp trên tụ C1 bằng:
1 U dk
U C1 =
C1 ∫ ik dt = R1C1 .t (5.10)
Trong đó: Udk - điện áp điều khiển.
Khi điện áp trên tụ C1 nạp
đến trị số bằng Ung (Ung
=0,68Ucc) là điện áp ngưỡng
lật trạng thái của transito
một tiếp giáp TR2. Khi đó
TR2 thông, tụ C1 được
phóng qua cuộn dây thứ cấp
của biến áp xung BAX. Ở
đầu ra của cuộn thứ cấp biến
áp xung (đầu 1 ÷ 4) sẽ có
xung mở các thyristor phụ
3T và 4T (hình 5.8b,c) với
độ rộng xung tx = 10µs. Các
thyristor phụ đó sẽ mở các
thyristor chính 1T và 2T.
Góc mở của các thyristor
phụ thuộc vào trị số của điện
áp điều khiển Uđk và được
tính theo biểu thức sau:
Hình 5.9. Đồ thị điện áp của mạch điều khiển bộ ĐAXC
54
2 f .R2 .U ng
α = ωt = (5.11)
U dk
Sau khi tụ C1 phóng điên phục hồi trạng thái khoá của transisto TR2 và tụ
C1 được nạp lại với biên độ giảm dần đến trị số không trong một nửa chu kỳ
của điện áp lưới.
- Mạch lực: có thể có hai phương án thực hiện.
* Mạch lực hình 5.8b. Để điều khiển mở hai thyristor chính dùng 2
thyristor phụ 3T, 4T và biến áp BA, hai cuộn dây thứ cấp của nó có cực tính
ngược nhau (điện áp ra của nó đối pha nhau) còn cuộn sơ cấp của nó đấu vào
điện áp lưới. Ở nửa chu kỳ đầu (0 ÷ 1800), điện áp ra của cuộn W22 dương,
3T thông và 1T thông. Ở nửa chu kỳ sau (1800 ÷ 3600) điện áp ra của cuộn
W23 dương, 3T và 2T thông. Điện trở R1 và R2 dùng để hạn chế dòng.
* Mạch lực hình 5.8c. Để điều khiển mở hai thyristor chính dùng thyristor
phụ 4T, cầu chỉnh lưu Đ1 ÷ Đ4, hai điôt ổn áp Đ5, Đ6 (hạn chế dòng áp đặt
lên cực điều khiển của 1T và 2T), điện trở R (hạn chế dòng). Ở nửa chu kỳ
đầu thyristor 1T mở, dòng điều khiển đi theo đường MT1- Đ6 - Đ2 - 4T - R -
Đ3 cực G-K của 1T - MT2. Ở nửa chu kỳ sau, thyristor 2T mở, dòng điều
khiển đi theo đường: MT2 - Đ5 - Đ1 - 4T - R - Đ4 - cực G-K của 2T - MT1.
Đồ thị điện áp của mạch điều khiển được trình bày trên hình 5.9
2. Các nguồn hàn một chiều
Nguồn hàn một chiều dùng cho công nghệ hàn hồ quang bằng tay, hàn hồ
quang tự động, bán tự động và hàn hồ quang trong khí bảo vệ.
Nguồn hàn hồ quang một chiều có hai loại:
- Bộ biến đổi quay (máy phát hàn một chiều);
- Bộ biến đổi tĩnh (bộ chỉnh lưu dùng điôt hoặc thyristor )
a) Máy phát hàn:
Máy phát hàn có hai loại: máy phát hàn một chiều cổ góp và máy phát hàn
xoay chiều với bộ chỉnh lưu bán dẫn.
Các máy phát hàn đươc các loại động cơ sơ cấp sau đây truyền động:
- Động cơ đốt trong.
- Động cơ điện.
+ Máy phát hàn một chiều cổ góp có 3 loại:
- Máy phát hàn một chiều từ trường ngang (cấu tạo giống như máy điện
khuếch đại từ trường ngang).
- Máy phát hàn một chiều cực từ rẽ.
- Máy phát hàn một chiều có cuộn khử từ nối tiếp.
Máy phát hàn một chiều có cuộn khử từ nối tiếp biểu diễn trên hình 5.9
Máy phát hàn F có hai cuộn kích thích:
- cuộn kích thích độc lập CKF1 được cấp nguồn độc lập Ukt. Điều chỉnh
dòng kích thích trong cuộn CKF1 bằng chiết áp VR
55
- cuộn kích thích nối tiếp CKF2
(cuộn khử từ nối tiếp) nối với phần
ứng của máy phát.
Từ thông Φ2 sinh ra trong cuộn
khử từ CKF2 tỷ lệ với dòng điện hàn
I2 ngược chiều với từ thông sinh ra
trong cuộn kích thích CKF1 - Φ1 .
Như vậy khi không tải (dòng hàn
I2 = 0), từ thông Φ2 = 0. Lúc đó sức
điện động phát ra của máy phát
bằng:
E0 = KΦ1ω (5.12)
Trong đó:
K - hệ số cấu tạo của máy phát;
ω - tốc độ quay của động cơ sơ cấp
kéo máy phát.
Khi có tải (I2 ≠ 0).
U2 = E - I2Rư = K(Φ1-Φ2)ω - I2Rư
(5.13) Hình 5.9 Máy phát hàn một chiều có cuộn
Trong đó: khử từ nối tiếp
U2 - điện áp hàn (điện áp hồ quang) a) sơ đồ nguyên lý b) họ đặc tính ngoài
1. vùng dòng hàn lớn; 2. vùng dòng hàn bé
I2 - dòng điện hàn (dòng hồ quang)
Rư- điện trở phần ứng của máy phát
* Φ2 ≈ I2W2. Từ thông sinh ra trong cuộn khử từ CKF2, tỷ lệ với dòng hàn
I2 và số vòng dây W2 của cuộn CKF2.
Từ biểu thức 5.13 ta thấy rằng điều chỉnh dòng hàn có thể thực hiện bằng
hai cách:
- Thay đổi số vòng dây W2 của cuộn khử từ nối tiếp CKF2 (đường nét đứt
trên hình 5.13b)
- Thay đổi dòng Ikt trong cuộn kích thích độc lâp CKF1 bằng chiết áp VR
(đường nét liền trên hình 5.13b).
Với tác dụng khử từ của cuộn CKF2, khi dòng hàn I2 càng tăng, điện áp
hàn U2 càng giảm tạo ra đường đặc tính ngoài mềm. Họ đặc tính ngoài của
máy phát hàn được biểu diễn trên hình 5.13b. Phạm vi điều chỉnh dòng hàn
từ I2min đến I2max tương ứng với điện áp không tải U20min đến U20max (trị số
U20min = 45 ÷ 50V, U20max = 100V).
+ Máy phát xoay chiều với bộ chỉnh lưu
Cấu tạo máy phát xoay chiều được biểu diễn trên hình 5.14
56
1. trục của máy phát
2. ống lót
3,8. mạch từ của roto
4. cuộn dây phần ứng
5,9. mạch từ của stato
6. vỏ của máy phát
7. cuộn dây kích thích
Φ. từ thông chính
Hình 5.14 Cấu tạo máy phát xoay chiều
Trên roto của máy phát không có cuộn dây. Cuộn dây phần ứng và cuộn
kích thích đều phân bố trên stato của máy phát. Khi máy phát hoạt động, các
cuộn dây đứng yên nên không cần cổ góp. Kết cấu của máy phát kiểu này sẽ
đảm bảo độ tin cậy làm việc cao, nâng cao tuổi thọ của máy phát.
Sơ đồ nguyên lý của máy phát được giới thiệu trên hình 5.15.
Cuộn dây phần
ứng stato được
nối theo sơ đồ
tam giác và cấp
cho cầu chỉnh
lưu CL. Khi
mạch hàn kín
I2 = Id (Id là dòng
của cầu chỉnh
lưu).
Điều chỉnh
dòng hàn I2 thực
hiện bằng cách
thay đổi sức điện
động của máy Hình 5.15. sơ đồ nguyên lý máy phát xoay chiều với bộ chỉnh lưu
phát EF. Sức điện
động của máy phát EF phụ thuộc vào dòng chảy trong cuộn kích từ CKF của
nó. Máy phát làm việc theo nguyên tắc tự kích. Sau khi khởi động máy phát,
do có từ dư nên sức điện động của máy phát EF = (3 ÷ 4)V. Biến áp TU sẽ
cấp nguồn kích thích cho máy phát. Sức điện động EF tăng dần, dẫn đến
dòng kích từ tăng dần và sức điện động của máy phát sẽ đạt đến trị số định
mức. Khi dòng hàn I2 ≠ 0, biến dòng TI bắt đầu cấp nguồn cho cuộn kích từ
qua điôt Đ3. Vì đặc tính ngoài của máy phát mềm (do điện cảm của dây quấn
57
stato khá lớn) nên khi dòng hàn I2
càng tăng, điện áp phát ra của máy
phát càng giảm, thành phần dòng
kích từ lấy từ biến áp TU giảm,
nhưng thành phần dòng cấp từ TI lại
tăng. Kết quả tổng giá trị tức thời của
hai điện áp thứ cấp TU và TI gần như
không đổi và cấp nguồn cho cuộn
kích từ của máy phát luôn ổn định.
Điôt Đ3 thực hiện chức năng như một
điôt hoàn năng lượng trong chế độ
Hình 5.16 Họ đặc tính ngoài của máy
ngắn mạch.Chiết áp VR dùng để điều phát xoay chiều với bộ chỉnh lưu
chỉnh trị số phản hồi dòng, chính là 1,2. phạm vi điều chỉnh dòng bé
điều chỉnh độ dốc của đặc tính ngoài 3,4. phạm vi điều chỉnh dòng trung bình
của máy phát được biểu diễn trên 5,6. phạm vi điều chỉnh dòng lớn
hình 5.16
Điều chỉnh thô dòng hàn thực hiện bằng đổi thông số đấu dây quấn stato
của máy phát, chính là thay đổi điện kháng của dây quấn stato của máy phát
(hình 5.17). Khi đó dây quấn của mỗi pha của stato máy phát được chế tạo
thàn hai nửa cuộn dây mới có thể thay đổi sơ đồ đấu dây từ nối tiếp sang
song song.
Hình 5.17 Sơ đồ đấu dây quấn stato của máy phát. a) vùng điều chỉnh dòng bé
b) vùng điều chỉnh dòng trung bình c) vùng điều chỉnh dòng lớn
58
b) Các bộ chỉnh lưu hàn
Các bộ chỉnh lưu hàn là nguồn hàn một chiều thường dùng cho công nghệ
hàn hồ quang. Trong một bộ chỉnh lưu hàn gồm hai phần tử chính là: biến áp
hàn và mạch chỉnh lưu dùng điôt hoặc thyristor.
Bộ chỉnh lưu hàn có những ưu điểm nổi bật sau đây so với máy phát hàn:
- Chất lượng mối hàn cao hơn do nó có thể tạo ra dòng hàn ổn định.
- Hiệu suất cao, tổn hao không tải thấp.
- Phạm vi điều chỉnh dòng hàn và điện áp hàn rộng.
- Không có phần quay nên độ tin cậy và tuổi thọ cao.
- Có khả năng tự động hoá và chương trình hoá quá trình hàn.
* Bộ chỉnh lưu hàn có thể phân thành các nhóm sau:
- Có họ đặc tính ngoài mềm dùng cho công nghệ hàn hồ quang bằng tay,
công nghệ hàn hồ quang tự động dưới lớp trợ dung.
- Có họ đặc tính ngoài cứng dùng cho công nghệ hàn hồ quang trong khí
bảo vệ.
- Có họ đặc tính ngoài vạn năng (mềm và cứng) dùng cho tất cả các
phương pháp hàn hồ quang.
+ Các sơ đồ chỉnh lưu trong các bộ chỉnh lưu hàn thường dùng hai sơ đồ
chỉnh lưu: Sơ đồ cầu ba pha và sơ đồ chỉnh lưu sáu pha hình tia.
Dùng sơ đồ chỉnh lưu ba pha có ưu điểm sau:
- Cân bằng phụ tải cho lưới điện.
- Giảm tiêu hao sắt (Fe), đồng (Cu) cho biến áp hàn và các cuộn kháng.
- Giảm độ đập mạch của dòng điện và điện áp chỉnh lưu.
Thông số cơ bản đặc trưng cho sơ đồ chỉnh lưu dùng trong bộ chỉnh lưu
hàn bao gồm:
+ Trị số điện áp hiệu dụng (điện áp pha U2ph, hoặc điện áp dây U2) thứ cấp
phụ thuộc vào điện áp chỉnh lưu không tải Ud0.
+ Điện áp ngược cực đại đặt lên van - Ungmax.
+ Trị số dòng điện hiệu dụng (dòng điện pha Iph hoặc dòng điện dây I2, phụ
thuộc vào dòng chỉnh lưu Id).
+ Dòng điện trung bình đi qua van: IVtb.
+ Trị số hiệu dụng IV và trị số dòng điện cực đại IVmax đi qua van.
+ Trị số hiệu dụng dòng điện sơ cấp I1 của biến áp hàn.
+ Công suất tính toán sơ cấp P1 và thứ cấp P2.
Công suất tính toán của biến áp hàn được tính gần đúng theo biểu thức:
P1 + P2
PBAH = (5.14)
2
59
+ Các sơ đồ chỉnh lưu
- Sơ đồ chỉnh lưu ba pha hình cầu
Hình 5.18 Sơ đồ chỉnh lưu ba pha hình cầu
Thường dùng trong bộ chỉnh lưu hàn với đựờng đặc tính ngoài mềm và
cứng. Khi điều chỉnh dòng hàn và điện áp hàn không dùng thyristor.
Độ đập mạch của điện áp chỉnh lưu với tần số bằng 300Hz.
* Trị số trung bình của điện áp chỉnh lưu khi không tải bằng:
Ud0 = 2,34U2ph = 1,35U2 (5.15)
* Điện áp ngược đặt lên các van:
Ungmax= 2,45U2ph = 1,41U2 = 1,045Ud0 (5.16)
* Trị số hiệu dụng dòng thứ cấp của biến áp hàn:
2
I2 = .I d (5.17)
3
* Trị số hiệu dụng sơ cấp của biến áp hàn:
2
3
I1 = .I d (5.18)
K
Trong đó: K - tỷ số biến của biến áp hàn.
* Dòng trung bình đi qua van:
Id
I Vtb = (5.19)
3
* Dòng cực đại đi qua van:
IVmax= 3,41IVtb (5.20)
* Trị số dòng điện hiệu dụng đi qua van:
IV = 1,73IVtb với họ đặc tính ngoài cứng.
IV = 1,57IVtb với họ đặc tính ngoài mềm
* Công suất tính toán của biến áp hàn:
PBAH = 3U2ph.I2 = 1,05Id.Ud0 với họ đặc tính ngoài cứng.
PBAH = 0,95Id.Ud0 với họ đặc tính ngoài mềm.
60
- Sơ đồ chỉnh lưu hình tia sáu pha có cuộn kháng cân bằng (hình 5.19).
Sơ đồ này thường dùng
với mạch chỉnh lưu dùng
thyristor có yêu cầu dòng
hàn I2 ≤ 500A. Biến áp hàn
có 6 cuộn thứ cấp đấu thành
hai sơ đồ ba pha hình tia
ngược pha nhau 1800. Giữa
chúng có hai cuộn dây cân
bằng với mục đích cân bằng
điện áp khi hai sơ đồ chỉnh
lưu hình tia ba pha làm việc
song song. Biểu đồ điện áp
của hai bộ chỉnh lưu cho
thấy rằng: giá trị điện áp tức
thời giữa hai bộ khác nhau.
Độ lệch điện áp đó sẽ sinh
ra dòng chảy trong cuộn
kháng cân bằng (LCB).
Chính dòng đó sẽ sinh ra
điện áp trong các cuộn cân
bằng điện áp, điện áp do
dòng này sinh ra có trị số:
UCB1= UCB2= ½ UCB.
Nhưng cực tính của chúng
Hình 5.19. Sơ đồ chỉnh lưu hình tia sáu pha có
ngược nhau so với điểm cuộn kháng cân bằng
chung. Nhờ có cuộn kháng
cân bằng đó, điện áp của một sơ đồ giảm xuống một lượng bằng UCB1, còn
sơ đồ thứ hai tăng lên một lượng bằng UCB2.
Trị số điện áp cân bằng:
U 2 ph
U CB = (5.21)
2
Trong phạm vi dòng hàn bé, bộ chỉnh lưu làm việc như chế độ của sơ đồ
hình tia sáu pha có điểm trung tính. Khi dòng hàn I2 ≥ 0,01.Id. Sơ đồ chỉnh
lưu làm việc như sơ đồ chỉnh lưu sáu pha có cuộn kháng cân bằng. Cuộn sơ
cấp của biến áp hàn được nối theo sơ đồ hình sao hoặc tam giác. Độ đập
mạch của điện áp chỉnh lưu có tần số bằng 300Hz.
* Trị số trung bình của điện áp chỉnh lưu khi không tải:
Ud0 = 1,35U2ph (5.22)
Khi làm việc ở vùng dòng hàn bé (I2 < 0,01Id).
61
U’d0 = 1,17U2ph
* Điện áp ngược đặt lên van:
Ungmax = 6U 2 ph = 2,09U d 0 (5.23)
* Trị số dòng điện của biến áp hàn:
Dòng điện thứ cấp I2 = 0,19Id
Dòng điện sơ cấp I1 = 1/K.0,048.Id (K là tỷ số biến áp).
* Công suất của cuộn kháng cân bằng:
PCKCB = 0,07Pd khi dùng điôt.
PCKCB = 0,2Pd khi dùng thyristor
với Pd = Id.Ud.
c) Bộ chỉnh lưu của máy hàn vạn năng BДY-506
Bộ chỉnh lưu của máy hàn vạn năng dùng cho công nghệ hàn hồ quang,
bằng tay, hàn hồ quang tự động dưới lớp trợ dung và hàn hồ quang trong khí
bảo vệ (CO2).
+ Đặc tính kỹ thuật:
- Điện áp nguồn định mức:
ba pha 220/380V.
- Công suất tiêu thụ:
40kVA.
- Dòng điện nguồn cấp:
105/60A.
- Dòng điện hàn định mức:
I2đm = 500A.
- Phạm vi điều chỉnh dòng
hàn: I2 = (60 ÷ 500)A.
- Điện áp không tải: Ud0 =
80V.
- Điện áp hàn định mức:
U2đm = 48V.
- Phạm vi điều chỉnh điện
áp hàn U2 = (20 ÷ 48)V.
+ Sơ đồ khối chức năng của Hình 5.20. Sơ đồ khối chức năng của mạch điều khiển
các mạch điều khiển
Hệ thống điều khiển bộ chỉnh lưu hàn BДY-506 là hệ tự động điều khiển
kín với các mạch vòng phản hồi theo dòng điện hàn (UFHD) và mạch vòng
phản hồi theo điện áp hàn (UFHA). Để tạo ra họ đặc tính ngoài mềm dùng
mạch phản hồi âm dòng (chuyển mạch CM mở), còn họ đặc tính ngoài cứng
nhận được khi dùng cả hai mạch vòng phản hồi: phản hồi âm áp kết hợp với
phản hồi âm dòng (chuyển mạch CM đóng).
62
Ngoài ra còn có mạch vòng phản hồi tỷ lệ với điện áp lưới đảm bảo cho
ngọn lửa hồ quang cháy ổn định khi điện áp lưới dao động (UAC).
Khâu tổng hợp và khuếch đại các tín hiệu điều khiển KĐ, tín hiệu đầu vào
của nó gồm: điện áp chủ đao (UCĐ) lấy từ đầu ra của khâu đặt chế độ hàn
KĐC, các tín hiệu phản hồi âm dòng UFHD lấy từ điện trở shunt Rsh . Tín hiệu
phản hồi âm điện áp UFHA lấy từ đầu ra của bộ biến đổi BBĐ và tín hiệu
phản hồi âm tỷ lệ với điện áp lưới (UAC) lấy từ khối nguồn KNg. Tín hiệu ra
của khâu KĐ là điện áp điều khiển (Uđk), trị số của nó quyết định trị số góc
mở α của các thyristor - chính là điện áp ra của bộ biến đổi BBĐ dùng
thyristor.
Khâu điều khiển xung pha KĐK tổng hợp và so sánh hai tín hiệu: điện áp
dòng pha lấy từ khối nguồn KNg và điện áp điều khiển Uđk lấy từ khâu KĐ.
Khâu HC và khâu hạn chế tác dụng của tín hiệu phản hồi âm UFHA khi làm
việc ở chế độ với họ đặc tính
ngoài cứng.
+ Mạch lực (hình 5.21)
Mạch lực của bộ nguồn chỉnh
lưu vạn năng gồm các phần tử
chính sau:
- Biến áp hàn có cuộn sơ cấp
nối theo hình tam giác, cuộn thứ
cấp gồm có 6 cuộn dây nối
thành hai nhóm hình tia ba pha
(nhóm 1: UA, UB, UC; nhóm 2:
U A ,U B ,U C )
- Các thyristor chỉnh lưu
1T ÷ 6T.
- Cuộn kháng cân bằng CKCB Hình 5.21 Sơ đồ mạch lực
- Cuộn kháng lọc CKSB.
+ Mạch điều khiển
- Mạch tạo xung điều khiển sáu thyristor trong bộ chỉnh lưu hàn vạn năng
có sáu kênh hoàn toàn giống nhau, biểu diễn trên hình 5.22b cho kênh A.
Điện áp đồng pha lấy từ biến áp đồng pha, phía thứ cấp của nó có 6 cuộn
dây. Để điều khiển mỗi pha, điện áp đồng pha lấy ở hai pha như sau:
Điện áp pha A B C A B C
Điện áp đồng pha cb ac ba cb ac ba
63
Hình 5.22 Mạch điều khiển bộ chỉnh
lưu hàn vạn năng
a) Đồ thị điện áp mạch tạo xung
b) Mạch tạo xung điều khiển kênh A
c) Mạch tạo điện áp điều khiển (Uđk)
kênh A
64
Điện áp UC đồng pha với điện áp lưới (pha C), do điôt Đ1 cắt nửa chu kỳ
âm, còn nửa chu kỳ dương UC + Uđk đưa vào cửa R của trigơ R-S. Điện áp
U B tỷ lệ với điện áp pha B của điện áp lưới nhưng ngược pha nhau; U B +
Uđk đưa vào cửa S của trigơ R-S. Trigơ R-S được cấu thành từ hai phần tử
NAND, có điện áp ngưỡng tác động Ung = 7V nên khi điện áp vào nhỏ hơn
Ung thì đầu ra có mức logic “0” và khi điện áp vào lớn hơn Ung, đầu ra có
mức logic “1”.
Quá trình tạo xung điều khiển như sau (xét trường hợp khi Uđk = 0):
Trong khoảng θ = (0 ÷ 600), đầu vào R = “0”, S = “0” → đầu ra của trigơ
có mức “1”; θ = (600 ÷ 1200), đầu vào R = “1”, S = “0” → đầu ra của trigơ
có mức “1” ; θ = (1200 ÷ 1800), đầu vào R = “0”, S = “1” → đầu ra của trigơ
có mức “0”. Mức logic “0” đưa vào đầu vào của phần tử AND (DD2) dùng
để phối hợp trở kháng đưa vào cực bazơ của transito VT1 làm cho VT1
thông, có xung điều khiển mở thyristor 1T. Từ đồ thị điện áp ta thấy rằng
góc mở α = 0 ứng với điện áp chỉnh lưu lớn nhất (Ud = Ud0).
Khi Uđk càng tăng, xung có mức logic “0” càng dịch sang bên phải, góc
mở α càng tăng và điện áp chỉnh lưu càng giảm. Đồ thị điện áp tại các điểm
đo được biểu diễn trên hình 5.22a.
- Mạch tạo điện áp điều khiển gồm các khâu chính sau: khâu đặt chế độ
hàn (tạo điện áp chủ đạo Ucđ), khâu tạo điện áp điều khiển (Uđk), khâu hạn
chế tác dụng của tín hiệu phản hồi điện áp.
* Khâu tạo tín hiệu chủ đạo gồm biến trở R1 và R2 ÷ R8. Điện áp chủ đạo
(Ucđ) đấu vào cổng (+) của khuếch đại thuật toán A2. Biến trở R8 dùng để
điều chỉnh góc mở αmin của các thyristor. Điều chỉnh dòng hàn bằng chiết áp
R1. Chọn điện áp chủ đạo phụ thuộc vào đặc tính ngoài bằng công tắc S1.2.
(có hai vị trí “C” cứng và “M” mềm).
* Khâu điện áp điều khiển (Uđk) là khuếch đại thuật toán A2. Nó tổng hợp
và khuếch đại các tín hiệu sau:
Khi cần tạo ra họ đặc tính ngoài mềm, điện áp điều khiển bằng:
Uđk = k.(Ucđ + UFHD) (5.24)
Trong đó: k - hệ số khuếch đại của KĐTT-A2;
UFHD- điện áp rơi trên điện trở shunt tỷ lệ với dòng hàn I2. Tín
hiện này đưa vào cổng (-) của KĐTT-A2 qua điện trở R20. Khi dòng hàn
càng tăng, dẫn đến Uđk càng tăng và điện áp ra của bộ chỉnh lưu càng giảm.
Khi cần tạo ra họ đặc tính ngoài cứng, điện áp điều khiển bằng:
Uđk = k.(Ucđ – UFHA – UAC) (5.25)
Trong đó: K - hệ số khuếch đại của KĐTT-A2;
UFHA- tín hiệu phản hồi âm điện áp tỷ lệ với điện áp ra của bộ
chỉnh lưu Ud(U2) đưa vào cổng (-) của KĐTT qua điện trở R15, R16;
UAC- tín hiệu phản hồi âm điện áp tỷ lệ với điện áp lưới điện.