Giáo trình Trang bị điện, điện tử trên máy

Với lò dung lượng dưới 10 tấn thì mạch ngắn thường được nối theo sơ đồ tam giác  . Thiếu sót của cách này là sự không đối xứng của các dây chuyền vòng tới các điện cực không được bù trừ. Với các lò dung lượng lớn, mạch ngắn thường được nối tam giác  ở các điện cực. Hai bên mỗi cần giữ điện cực CS đặt hai dây dẫn dòng pha cách điện như nhau. Ở sơ đồ này thì hai pha có các dây dẫn dòng từ đầu đầu và đầu cuối tới hai điện cực kề sát nhau, tạo ra hệ hai dây, còn pha thứ ba dẫn dòng tới hai cần giữ ngoài cùng sẽ không có tính chất của hệ hai dây. Tính không đối xứng của mạch ngắn đã giảm nhiều nhưng chưa hoàn toàn. Theo sơ đồ thực hiện dẫn dòng hệ hai dây cho cả ba pha nhờ thêm cần phụ, mang dây đầu cuối pha ba tới điện cực một vòng qua điện cực ba. Cần đỡ phụ và cần đỡ điện cực một được dịch chuyển đồng bộ với nhau qua liên kết cơ học. Sơ đồ này không giảm tính không đối xứng của mạch ngắn xuống đến mức tối thiểu. 2.4.3. Yêu cầu về trang bị điện cho lò hồ quang Các lò HQ nấu luyện kim loại đều có các bộ điều chỉnh tự động việc dịch điện cực vì nó cho phép giảm thời gian nấu luyện, nâng cao năng suất lò, giảm suất chi phí năng lượng, giảm thấm cácbon cho kim loại, nâng cao chất lượng thép, giảm dao động công suất khi nấu chảy, cải thiện điều kiện lao động, v.v... Chất lượng thép nấu luyện phụ thuộc vào công suất cấp và sự phân bố nhiệt hay nhiệt độ trong nồi lò. 157 Điều chỉnh công suất lò HQ có thể thực hiện bằng cách thay đổi điện áp ra của BAL hoặc bằng sự dịch chuyển điện cực để thay đổi chiều dài ngọn lửa HQ và như vậy sẽ thay đổi được điện áp HQ, dòng điện HQ và công suất tác dụng của HQ. Về nguyên tắc, việc duy trì công suất lò HQ có thể thông qua việc duy trì một trong các thông số sau: Dòng điện hồ quang Ihq, điện áp hồ quang Uhq, tỷ số giữa điện áp và dòng điện hồ quang, tức là tổng trở: hq hqhq I UZ  (2.20) Bộ điều chỉnh duy trì dòng HQ không đổi (Ihq = const) sẽ không mồi HQ tự động được. Ngoài ra, khi dòng điện trong một pha nào đó thay đổi sẽ kéo theo dòng điện trong hai pha còn lại thay đổi. Ví dụ, khi HQ trong một pha bị đứt thì lò HQ làm việc như phụ tải một pha với hai pha còn lại nối tiếp vào điện áp dây. Lúc đó các bộ điều chỉnh hai pha còn lại sẽ tiến hành hạ điện cực mặc dù không cần việc đó. Các bộ điều chỉnh loại này chỉ dùng cho lò HQ một pha và chủ yếu dùng trong lò HQ chân không. Bộ điều chỉnh duy trì điện áp HQ không đổi (Uhq = const) có khó khăn trong việc đo thông số này. Thực tế, cuộn dây đo được nối giữa thân kim loại cửa lò và thanh cái thứ cấp BAL. Do vậy, điện áp đo được phụ thuộc dòng tải và sự thay đổi dòng của một pha sẽ ảnh hưởng tới hai pha còn lại như đã trình bày đối với bộ điều chỉnh giữ Ihq = const . Phương pháp tốt nhất là dùng bộ điều chỉnh duy trì thông qua hiệu số các tín hiệu dòng và áp:  hq hqhq I UZ const aIhq - bUhq = bIhq (Zohq - Zhq ) (2.21) Trong đó: a, b là hệ số phụ thuộc hệ số các biến áp đo lường (biến dòng, biến điện áp) và điện trở điều chỉnh trên mạch (thay đổi bằng tay khi chỉnh định). Zohq , Zhq là giá trị đặt và giá trị thực của tổng trở HQ. Từ (2.21) suy ra: hqhqhq0hq hqhq ZZZI.b U.bI.a  (2.22) Như vậy, việc điều chỉnh thực hiện theo chế độ lệch của tổng trở HQ so với giá trị đặt (điều chỉnh vi sai). Phương pháp này dễ mồi HQ, duy trì được công suất, ít chịu ảnh hưởng của dao động điện áp nguồn cũng như ảnh hưởng lẫn nhau giữa các pha. 158 Mỗi giai đoạn làm việc của lò HQ (nấu chảy, ôxy hoá, hoàn nguyên) đòi hỏi một công suất nhất định, mà công suất này lại phụ thuộc chiều dài ngọn lửa HQ. Như vậy, điều chỉnh dịch điện cực là điều chỉnh chiều dài ngọn lửa HQ do đó điều chỉnh được công suất lò HQ. Đó là nhiệm vụ cơ bản của các bộ điều chỉnh tự động các lò HQ. Các yêu cầu chính đề ra cho một bộ điều chỉnh công suất lò HQ là: a. Đủ nhạy để đảm bảo chế độ làm việc đã cho của lò. Duy trì dòng điện hồ quang không tụt quá (4 5)% trị số dòng điện làm việc. Vùng không nhạy của bộ điều chỉnh không quá  (3  6)% trong giai đoạn nấu chảy và  (2  4)% trong các giai đoạn khác. b. Tác động nhanh, đảm bảo khử mạch hay đứt HQ trong thời gian 1,5  3,0 giây. Điều đó sẽ làm giảm số lần ngắt máy cắt chính, giảm sự thấm cácbon của kim loại v.v... Các lò HQ hiện đại không cho phép ngắt máy cắt chính quá 2 lần trong giai đoạn nấu chảy. Đảm bảo yêu cầu này nhờ tốc độ dịch cực nhanh, tới 2,5  3 m/ph trong giai đoạn nấu chảy (khi dùng truyền động điện cơ) và 5  6 m/ph (khi truyền động thuỷ lực). Dòng điện HQ càng lệch xa trị số đặt thì tốc độ dịch cực càng phải nhanh. c. Thời gian điều chỉnh ngắn. d. Hạn chế tối thiểu sự dịch cực không cần thiết như khi chế độ làm việc bị phá vỡ trong thời gian rất ngắn (vài phần giây) hay trong chế độ thay đổi tính đối xứng. Yêu cầu này càng cần đối với lò ba pha không có dây trung tính. Chế độ HQ của một pha nào đó bị phá huỷ sẽ dẫn theo phá huỷ chế độ HQ của các pha còn lại. Điện cực các pha còn lại đang ở vị trí chuẩn cũng có thể bị dịch chuyển. Do vậy mỗi pha cần có hệ điều chỉnh độc lập để sự làm việc của nó không ảnh hưởng tới chế độ làm việc của các pha khác. e. Thay đổi công suất lò bằng phẳng trong giới hạn 20  125% trị số định mức với sai số không quá 5%. f. Có thể chuyển đổi nhanh từ chế độ điều khiển tự động sang chế độ điều khiển bằng tay do phải thực hiện thao tác phụ nào đó (chẳng hạn, nâng điện cực trước khi chất liệu vào lò) và ngược lại, chuyển nhanh về chế độ điều khiển tự động. g. Tự động châm lửa HQ khi bắt đầu làm việc và sau khi HQ bị đứt. Khi ngắn mạch thì việc nâng điện cực lên không làm đứt HQ. h. Dừng mọi điện cực khi mất điện lưới. Cơ cấu chấp hành (cơ cấu dịch cực) có thể truyền động bằng điện - cơ hay thuỷ lực. Trong cơ cấu điện - cơ, động cơ được dùng phổ biến là động cơ một chiều kích từ độc lập vì nó có mômen khởi động lớn, giải điều chỉnh rộng, bằng phẳng, dễ 159 điều chỉnh và có thể dễ mở máy, đảo chiều, hãm. Đôi khi cũng dùng động cơ không đồng bộ có mômen quán tính của rôto nhỏ. 2.2.4. Phân tích mạch điện điều khiển dịch chuyển điện cực điển hình 1. Sơ đồ chức năng một pha khống chế dịch cực lò hồ quang Một hệ điều chỉnh công suất tự động lò HQ có sơ đồ chức năng đơn giản như hình 2.20. Hệ gồm đối tượng điều chỉnh 6 (lò HQ) và bộ điều chỉnh visai. Bộ điều chỉnh gồm các phần tử cảm biến dòng 1 và áp 1’, phần tử so sánh 3, bộ khuếch đại 4, cơ cấu chấp hành 5 và thiết bị đặt 2. Trên phần tử so sánh có hai tín hiệu từ đối tượng điều chỉnh tới (tương ứng tỉ lệ với dòng và áp hồ quang) và một tín hiệu từ thiết bị đặt tới. Tín hiệu sai lệch từ phần tử so sánh được khuếch đại qua bộ khuếch đại 4 rồi tới cơ cấu chấp hành 5 để dịch cực theo hướng giảm sai lệch. Để hoàn thiện đặc tính động của hệ, nâng cao chất lượng điều chỉnh, thường sơ đồ còn có phản hồi về tốc độ dịch cực, về tốc độ thay đổi dòng, áp hồ quang...Trong sơ đồ cũng có thể có các phần tử chương trình hoá, máy tính... Hệ điều chỉnh cũng có thể dùng khuếch đại máy điện, khuếch đại từ, tiristo, thuỷ lực, li hợp điện từ... 2. Sơ đồ một pha khống chế dịch cực lò hồ quang dùng hệ MĐKĐ-Đ Hình 2.21 biểu thị sơ đồ dịch cực cho một pha lò hồ quang. Mỗi pha có một bộ điều chỉnh như vậy. Máy điện khuếch đại MĐKĐ cấp điện cho động cơ Đ để dịch cực và có 3 cuộn kích từ: - Cuộn điều chỉnh CĐC1 để khống chế tự động. - Cuộn CĐC2 để khống chế bằng tay. - Cuộn phản hồi âm áp CFA. Cuộn này có sức từ động ngược chiều với cuộn trên. 5 4 2 1 3 1’ 6 Hình 2.20. Sơ đồ chức năng hệ điều chỉnh công suất lò HQ 160 Ở chế độ tự động TĐ, các tiếp điểm 5-6 và 7-8 kín. Mở 1CD và đóng 2CD. Điện áp ra trên chỉnh lưu 1CL tỉ lệ với dòng điện HQ và rơi trên điện trở 5R. Điện áp ra trên chỉnh lưu 2CL tỉ lệ với điện áp HQ và rơi trên điện trở 4R. Cuộn dây điều chỉnh CĐC1 của MĐKĐ nối vào hiệu số điện áp lấy trên một phần của 5R và 4R, nghĩa là thực hiện quy luật điều chỉnh như biểu thức (2.21). Khi chưa có hồ quang, dòng bằng 0 và điện áp lớn nhất sức từ động cuộn CĐC1 có chiều để MĐKĐ phát điện áp cho động cơ Đ hạ điện cực xuống chậm. Lúc này rơ le dòng RD chưa tác động nên 3R tham gia vào mạch CĐC1 vốn sức từ động của CĐC1 nhỏ. Mặt khác, như sơ đồ vẽ, khi hạ cực động cơ được cấp điện với cực tính (+) ở trên nên điôt 3CL nối tắt 7R làm tăng dòng cuộn phản hồi âm áp CFA, hạn chế bớt sức từ động của CĐC1 (cỡ 50%). Do vậy điện cực hạ xuống chậm. Khi điện cực chạm kim loại, dòng lớn nhất và điện áp bằng 0 (ngắn mạch làm việc). Rơ le dòng RD tác động, nối tắt 3R trong mạch cuộn CĐC1. Sức từ động cuộn này đổi chiều và có giá trị lớn, MĐKĐ phát điện áp cấp cho động cơ kéo điện cực lên nhanh (cực tính (-) điện áp ở cấp trên). Mặt khác, lúc này điốt 4CL thông mạch rơ le áp RA với điện áp lớn của MĐKĐ nên rơ le thời gian Rth mất điện. Sau thời gian duy trì, tiếp điểm thường mở mở chậm Rth sẽ đưa điện trở 9R vào mạch kích từ KTĐ của động cơ Đ để giảm từ thông và tốc độ động cơ nâng cực tăng lên. Cũng lúc này, do cực tính điện áp (-) ở trên nên 3CL không thông mạch và điện trở 7R tham gia vào mạch cuộn phản hồi CFA, làm giảm dòng qua CFA, sự hạn chốngức từ động cuộn CĐC1 giảm bớt (còn hạn chế cỡ 30%). Do vậy điện áp phát ra của MĐKĐ cũng tăng lên. Điện cực rời khỏi kim loại thì HQ được mồi.Trong quá trình điện cực đi lên, dòng Ihq giảm và áp Uhq tăng. Hiệu điện áp lấy trên 4R, 5R giảm dần sức từ động cuộn CĐC1 giảm, điện áp MĐKĐ phát ra giảm và động cơ nâng cực lên chậm dần. Khi điện áp phát ra của MĐKĐ dưới ngưỡng nhả của rơ le áp RA thì điện trở 9R được tách khỏi mạch kích từ Đ, tốc độ động cơ càng chậm. Khi cân bằng, điện áp tỉ lệ với dòng HQ, rơi trên 5R và điện áp tỉ lệ với áp HQ, rơi trên 4R thống sức từ động của CĐC1 bằng 0, điện áp MĐKĐ bằng 0, động cơ Đ dừng quay và HQ cháy ổn định. 161 Hình 2.21. Sơ đồ nguyên lý một pha khống chế dịch cực lò hồ quang 3. Sơ đồ điều chỉnh công suất lò hồ quang dùng tiristor Bộ điều chỉnh loại này là có triển vọng nhất. Nó thoả mãn được các yêu cầu đề ra và chỉ kém về sự tác động nhanh nếu truyền động dịch cực bằng thuỷ lực. Bộ điều chỉnh cho một pha trên hình 2.22. Bộ điều chỉnh tiristor có thể làm việc với lò dung lượng 200 tấn. Động cơ dịch cực có công suất 11kW. Tốc độ dịch cực lớn nhất 4,5  5 m/ph khi dùng thanh răng và 1,5 m/ph khi dùng tời. Tín hiệu tỉ lệ với dòng Ihq và Uhq của một pha từ các biến dòng TI và biến điện áp TU tới các bộ chỉnh lưu 1VD, 2VD. Sự mất cân bằng giữa các tín hiệu đầu vào sẽ được đưa tới vùng không nhạy KN. Từ đó tới khâu khuếch đại bán dẫn KĐ. Tới khâu KĐ có có tín hiệu phản hồi âm tốc độ của động cơ dịch cực M. Từ khâu 162 Hình 2.22. Sơ đồ điều chỉnh cho một pha khuếch đại tín hiệu sai lệch sẽ tới khâu nguồn điều khiển NĐK và qua đó tới các khâu xung pha XP1, XP2 để điều chỉnh góc mở tiristor cấp điện cho phần ứng động cơ M. Cấp điện cho khối KĐ là khối nguồn Ng. Nếu chế độ điện của lò hồ quang tương ứng như chế độ đặt thì khối KĐ không có tín hiệu ra, động cơ M không chạy và không dịch cực. Nếu chế độ làm việc sai lệch khỏi chế độ đặt (như Ihq tăng do ngắn mạch, Uhq tăng do chưa mồi hay đứt hồ quang...) mà độ lớn tín hiệu sai lệch vượt quá vùng không nhạy của bộ điều chỉnh (0a1, 0a2 trên hình 2.22) thì đầu ra khối KN có tín hiệu, qua KĐ, NĐK, XP1, CP2 sẽ điều khiển mở tiristor, cấp điện cho động cơ M quay dịch cực. Khi Uhq tăng (chiều dài ngọn lửa hồ quang tăng) thì động cơ M hạ điện cực xuống. Tốc độ động cơ xác định bởi hiệu số tín hiệu ra của khối KN và tín hiệu phản hồi âm tốc độ tỉ lệ với điện áp động cơ thông qua 1R và 4R). Quy luật điều 163 chỉnh hạ điện cực là tỉ lệ trên toàn dải tín hiệu vào (kể cả khi đứt hồ quang (đoạn a2b2 hình 2.23). Khi Ihq tăng (chiều dài ngọn lửa hồ quang giảm) thì động cơ M nâng điện cực lên. Ở vùng thay đổi nhỏ của Ihq thì tốc độ nâng tỉ lệ với số gia Ihq (đoạn a1b1). Ở vùng thay đổi lớn Ihq thì tốc độ nâng nhảy vọt. Tín hiệu này là nhờ điện áp động cơ lấy qua 4R vượt ngưỡng điốt ổn áp 4VD, do đó tín hiệu lấy trên 1R giữ nguyên. Đặc tính tĩnh trên hình 2.23 cho khả năng loại trừ nhanh chế độ sai như ngắn mạch, đứt hồ quang và trong giai đoạn hoàn nguyên thì các sai lệch nhỏ không tác động (đoạn oa1) hoặc tác động với tốc độ nhỏ (đoạn a1b1), do đó loại trừ hiện tượng quá điều chỉnh. Sau khi sai lệch bị trừ khử, tín hiệu sai lệch nhỏ hơn vùng không nhạy sẽ không còn và dưới tác động của điện áp phản hồi âm sẽ xảy ra hãm điện (hãm tái sinh). Hai nhóm tiristor sẽ thực hiện lần lượt chế độ chỉnh lưu và nghịch lưu tuỳ hướng chuyển động. 2.5. Trang bị điện - điện tử lò cảm ứng 2.5.1. Khái niệm chung và phân loại 1. Nguyên lý làm việc của lò cảm ứng (hay lò tần số) là dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ. Khi một khối kim loại đặt vào trong một từ trường biến thiên thì trong khối kim loại sẽ xuất hiện (cảm ứng) các dòng điện khép kín trong kim loại gọi là dòng điện xoáy (hay dòng điện Foucault). Nhiệt năng của dòng điện xoáy sẽ đốt nóng khối kim loại. Hình 2.23. Đặc tính tĩnh của bộ điều chỉnh dịch cực lò hồ quang dùng thiristor -vmax b2 vmax a2 a1 b1 N H 0 Ihq vcực 164 2. Sự truyền nhiệt năng vào kim loại trong thiết bị gia nhiệt bằng tần số Muốn có dòng điện xoáy đốt nóng kim loại, phải tạo ra một từ trường biến thiên trong kim loại. Tạo từ trường này nhờ dòng điện biến thiên (dòng xoay chiều). Như vậy, năng lượng điện truyền từ nguồn điện xoay chiều biến đổi thành năng lượng trường điện từ (biến thiên). Trong vật gia nhiệt (kim loại) điện năng dòng xoáy cảm ứng được chuyển thành nhiệt năng. Quá trình biến đổi năng lượng trong lò điện cảm ứng được biểu diễn trên hình 2.24. Nhiệt năng kim loại thu được phụ thuộc nhiều yếu tố, trong đó có ba yếu tố chủ yếu: - Tính dẫn điện (biểu thị qua điện trở suất ) và tính dẫn từ (biểu thị qua độ từ thẩm ) của kim loại. - Cường độ từ trường H của điện từ trường biến thiên: Wnhiệt  H2  I2 (2.23) Vậy kim loại muốn thu nhiệt nhiều, phải tăng dòng điện tạo ra từ trường. Cách này bị giới hạn vì không thể tăng mãi dòng điện lên được vì dây dẫn điện sẽ phải lớn, quá nóng và có thể nóng chảy. - Tần số dòng điện: Wnhiệt  f (2.24) Thực tế, để tăng nhiệt, thường dùng phương pháp tăng tần số vì tạo tần số lớn của dòng điện không gặp nhiều khó khăn. Vì vậy lò cảm ứng còn có tên gọi là lò tần số và nguồn cấp cho lò phải là nguồn xoay chiều thường là tần số lớn. Khi năng lượng trường điện từ truyền vào kim loại, độ lớn của cường độ điện trường E và cường độ từ trường H bị suy giảm và năng lượng nhiệt dẫn sâu vào kim loại cũng bị giảm theo độ dẫn truyền Z vào sâu. Nhiệt năng truyền vào tấm kim loại đặc điểm là: - Suy giảm rất nhanh theo độ sâu. - Tập trung ở lớp ngoài lớn, dẫn đến nhiệt độ kim loại, thấp ở lớp sâu hơn. Tần số càng cao lớp bề mặt càng mỏng và nhiệt độ càng tập trung ở bề mặt kim loại. Tính chất này được áp dụng để tôi bề mặt. Điện năng dòng xoay chiều Năng lượng trường điện từ biến thiên Dòng cảm ứng xoáy trong kim loại Nhiệt năng Hình 2.24. Quá trình biến đổi năng lượng trong lò điện cảm ứng 165 - Ngoài ra năng lượng nhiệt truyền vào kim loại còn phụ thuộc vào hình dáng, cách bố trí cuộn dây sinh điện từ trường. - Tần số gia nhiệt phụ thuộc chiều dài lớp bề mặt. 3. Ưu điểm của thiết bị gia nhiệt tần số Có thể gia nhiệt nhanh chóng và trực tiếp tới vật gia công, không qua khâu trung gian nên có thể tự động hoá ở mức cao và có thể tiến hành gia nhiệt ở môi trường trung tính, chân không. Có thể tôi bề mặt chi tiết (vỏ ngoài cứng, trong ruột mềm) một cách đơn giản nhờ hiệu ứng mặt ngoài của dòng điện cao tần. Vật tôi có thể có hình dạng bất kì. Tăng được năng suất lao động, giảm lao động nóng, mệt nhọc. 4. Ứng dụng của thiết bị gia nhiệt tần số rất rộng rãi, phổ biến là: Nấu chảy kim loại trong chân không, khí trơ, không khí. Nung phôi để rèn, đập, ép, cán. Tôi, ram, ủ các chi tiết cơ khí theo công nghệ cơ khí. Gia công hoá nhiệt. Hàn. Sấy, nung, hàn chất điện môi, bán dẫn (như: sấy gỗ, sấy khuôn đúc, sứ; sấy bột, thóc giống, gạo; khử trùng đồ hộp; lưu hoá cao su; hàn và dán nhựa ni lông...) 5. Phân loại thiết bị gia nhiệt tần số * Phân loại tho tần số làm việc - Thiết bị gia nhiệt tần số công nghiệp. Nguồn lấy từ lưới điện công nghiệp hay qua máy biến áp. - Thiết bị gia nhiệt trung tần với tần số làm việc 500  10.000 Hz. Thiết bị này thường dùng máy phát điện quay tần số trung bình hay dùng thyristor ở dải công suất vừa và nhỏ. - Thiết bị gia nhiệt cao tần với tần số làm việc trên 10.000 Hz; thường dùng đèn phát hay thyristor. * Phân loại theo phạm vi sử dụng - Thiết bị tần số để nấu chảy kim loại và hợp kim. - Thiết bị nung phôi cho rèn, dập, cán. Phôi càng lớn thì tần số làm việc càng nhỏ. - Thiết bị tôi bề mặt, thường làm việc ở tần số cao. Lớp tôi càng mỏng thì tần số làm việc càng cao. - Thiết bị nung, sấy chất điện môi và bán dẫn. 2.5.2. Các bộ nguồn tần số dùng trong lò cảm ứng Các lò cảm ứng cần cấp nguồn có tần số nào đó, thường là ở tần số cao. Ở đây ta xét một số loại nguồn tần số thường dùng. 1. Máy phát điện 166 Máy phát điện đồng bộ bình thường phát ra dòng điện có tần số 50Hz cấp lên lưới điện (ở Mỹ là tần số 60 Hz). Tần số máy phát xác định bởi biểu thức: 60n.pf  (Hz) (2.25) trong đó: p là số đôi cực từ của máy phát; n là tốc độ quay phần ứng. Khi cần tần số cao ta cần phải tăng số đôi cực từ ở phần cảm hoặc phải tăng tốc độ n, hoặc tăng cả hai p và n. Các biện pháp này đều bị giới hạn vì tăng p sẽ dẫn đến tăng kích thước máy, tăng n sẽ phải tăng mạnh độ bền cơ khí của máy phát. Vì vậy ở tần số trên 500 Hz, người ta dùng máy phát cảm ứng có từ trường đập mạch theo thời gian gọi là máy phát sóng điều hoà răng. Máy phát sóng điều hoà răng có cuộn kích từ CKT phân bố trong các rãnh stato, cuộn làm việc CLV (cuộn ứng) cũng phân bố trong các rãnh stato. Rôto không có cuộn dây nào và có dạng bánh răng. Khi rôto quay các đỉnh răng và rãnh răng của rôto lần lượt chạy qua các rãnh stato có đặt các cuộn dây kích từ CKT. Do vậy từ trường tạo ra bởi cuộn kích từ khép kín qua rôto với khe hở không khí stato - rôto lúc lớn (tại ránh răng), lúc nhỏ (tại đỉnh răng) và có đặc tính đập mạch. Từ trường này quét qua các dây dẫn cuộn làm việc CLV và làm cho cuộn làm việc xuất hiện sức điện động cảm ứng có tần số bằng số cặp đỉnh răng - rãnh răng chạy qua. kết quả số đôi cực từ p tương ứng với số răng Z2 của rôto đã tăng rất nhiều. Từ đó tần số của máy phát là: 60Z.nf 2 (Hz) (2.26) Từ thông trong các răng rôto không bị thay đổi theo thời gian nên hầu như trong rôto không có dòng điện xoáy. Vì thế rôto có thể hoặc ghép từ các lá thép mỏng, hoặc đúc liền. Còn ở stato, từ thông là đập mạch nên có tổn hao thép và vì thế stato phải được ghép từ những lá thép mỏng. Việc làm mát bằng nước được ứng dụng ở những máy phát công suất lớn, làm mát bằng quạt ở những máy phát công suất nhỏ. Động cơ sơ cấp kéo máy phát có thể là động cơ đồng bộ (khi công suất trên 100 kW) hoặc động cơ không đồng bộ (khi công suất nhỏ hơn). Các máy phát tần số hiện dùng có tần số không quá 10 kHz, hiệu suất tới (70  80)%. Vì máy phát được chế tạo với điện áp nhất định nên khi gia nhiệt với điện áp khác, thường cần có máy biến áp phối hợp. Để tối ưu hoá quá trình gia nhiệt, việc điều chỉnh tự động dòng kích từ máy phát là rất quan trọng nhằm ổn định điện áp cấp cho lò cảm ứng hoặc điều chỉnh trị số điện áp cấp cho lò (khi không dùng biến áp lò). Các bộ kích từ dùng tiristor cho độ chính xác ổn áp 1% với dải điện áp từ 0  180V. 167 Máy phát tần số cao có cấu trúc đơn giản, độ tin cậy cao, dễ sử dụng nhưng vì có phần quay nên sửa chữa phức tạp, làm việc ồn, hiệu suất thấp khi tải nhỏ, không thay đổi được tần số.. Hình 2.25 là sơ đồ khối của thiết bị gia nhiệt dùng máy phát. Máy phát FT cấp điện cho lò qua máy biến áp BA. Có hai lò cảm ứng làm việc luân phiên để tận dụng công suất máy phát (một lò nấu luyện thì lò kia sấy sản phẩm, chuẩn bị mẻ sau...). Vì lò cảm ứng có hệ số công suất thấp (do có nhiều cuộn dây, vòng dây) nên sơ đồ có bộ tụ bù C để nâng cao hệ số công suất. 2. Đèn phát điện tử Đèn phát điện tử dùng trong thiết bị gia nhiệt thường là đèn ba cực chân không có sơ đồ như hình 2.26. Tần số phát từ vài chục kHz đến hàng trăm MHz. Đèn là một bình chân không (bằng thuỷ tinh hay kim loại) và có ba cực chính (hình 2.26a). - Cực anốt A: cực thu điện tử - Cực catôt C: cực phát điện tử. Để điện tử bứt ra khỏi kim loại catôt, cần phải cấp cho nó năng lượng nhiệt (bằng công thoát ra khỏ kim loại). Việc cấp năng lượng này có thể trực tiếp (nhờ đốt trực tiếp catôt bởi một điện áp Un gọi là điện áp nung), có thể đốt gián tiếp (catôt đặt gần sát cuộn nung) (hình 2.26b). - Cực lưới G:là lưới ôm sát catôt. Nguyên lý làm việc của đèn ba cực như sau: Khi phân áp thuận (A nối dương, C nối âm) thì điện tử bứt ra khỏi C sẽ chuyển động từ C về A do tác dụng của điện trường giữa hai cực A và C. Nếu điện thế của cực G dương hơn cực C và do đặt gần cực C thì cực G có tác dụng thu hút điện tử chuyển về cực A mạnh (hình 2.26c). Nếu điện thế của cực G âm hơn cực C thì cực G có tác dụng ngăn cản chuyển động của điện tử về cực A (hình 2.26d). Như vậy tuỳ thế cực G so với cực C dương nhiều hay dương ít hoặc âm mà dòng anốt (từ A về C) có thể lớn nhỏ hoặc bằng không. Điện thế đặt vào lưới G có tác dụng điều khiển dòng anốt A - C tương tự một tiristor. FT BA C Lò 1 Lò 2 Hình 2.25. Sơ đồ khối của thiết bị gia nhiệt dùng máy phát 168 Nếu lưới G nối với cực catốt C thì điện thế hai cực như nhau. Đèn ba cực làm việc như một điôt (hình 2.26e). Trường hợp này có thể dùng đèn hai cực (chỉ có A và C mà không có G) (hình 2.26f). Khi làm việc, nhiệt độ catôt tăng từ nhiệt độ môi trường tới hơn 20000C và điện trở của catôt tăng tới 10 lần. Do đó để tránh dòng quá lớn lúc bắt đầu làm việc, không được cấp ngang điện áp nung định mức mà phải qua nhiều cấp. Đèn phát tần số có hiệu suất thấp (không qua 60%) vì qua nhiều khâu biến đổi, tuổi thọ thấp và tổn hao nhiệt lớn. Các đèn có công suất dưới 200 kW thường kín và hút chân không tại nơi chế tạo. Các đèn công suất lớn hơn vầ để tiện thay thế các chi tiết trong đèn nhằm tiết kiệm chi phí hỏng hóc, thường hở và có nắp. Đèn được hút chân không sau khi thay thế các chi tiết hỏng. Sơ đồ khối của thiết bị gia nhiệt tần số như trên hình 2.27. Điện áp lưới qua máy biến áp tăng tới 5 đến 10 kV được chỉnh lưu thành dòng một chiều qua khâu chỉnh lưu CL để cấp cho mạch đèn phát ĐF. Đèn phát dòng cao tần cấp cho lò. Điều chỉnh CL qua bộ khống chế KC. Để ổn định tần số phát của đèn ĐF và điều chỉnh chế độ gia nhiệt khi tải thay đổi và đảm bảo hiệu suất cao, mạch đèn ĐF có khâu phản hồi FH. C Un G A C Un G A C G + A + - C A + - G A + C G A + C a) b) c) f) g) h) Hình 2.26. Đèn ba cực chân không 169 3. Biến tần tiristor Sơ đồ phổ biến gồm hai khâu cơ bản (hình 2.28) là: chỉnh lưu có điều khiển CL và nghịch lưu độc lập NL. Khi tiristor 1T thông do được cấp xung mở từ bộ phát xung FX thì tụ C được nạp tới điện áp 2U do sơ cấp biến áp 2BA là hai cuộn dây nối tiếp. Khi tiristor 2T được cấp xung thì 2T thông và tụ C phóng điện qua cả 1T và 2T. Dòng phóng của tụ C với điện áp 2U qua tụ C sẽ át dòng dẫn của nguồn CL (điện áp U) và làm dòng qua 1T bởi nguồn sẽ nhanh chóng giảm về 0 và 1T khoá. Dòng phóng tụ C qua 2T cùng chiều với dòng tạo bởi nguồn CL nên dòng qua 2T nhanh chóng đạt trị số định mức (thời gian thông ngắn). Tụ C được nạp ngược lại tới điện áp 2U. Quá trình tiếp tục khi phát xung mở cho 1T. CL ĐF Lò ĐF ĐF Đặt BA  Hình 2.27. Sơ đồ khối thiết bị gia nhiệt dùng đèn phát tần số cao FX C U 1T 2T 2BA Lò 1BA CL NL Hình 2.28. Sơ đồ đơn giản bộ biến tần tiristor một pha 170 Khối FX sẽ cấp xung mở 1T, 2T lệch pha nhau 1800. Cuộn sơ cấp 2BA sẽ có dòng liên tục đảo chiều với tần số bằng tần số của các xung mở thiristor. Cuộn thứ cấp 2BA sẽ cảm ứng dòng cùng tần số, cấp cho lò cảm ứng. Như vậy bộ biến tần thiristor biến dòng điện tần số công nghiệp 50 Hz ở đầu vào qua khâu chỉnh lưu và nghịch lưu thành dòng điện tần số cao hơn ở đầu ra. Tần số ra quyết định bởi tần số phát xung của bộ FX. Công suất các bộ nghịch lưu tiristor hiện nay có thể đạt tới một, hai trăm kW, hiệu suất cao tới 95%, điện áp hơn 1000 V, tần số đạt tới 10 kHz. Tần số ra bị hạn chế là do việc khoá tiristor cần thời gian (12  25 ) s và thời gian thông cũng tương tự nghĩa là một chu kì thông - khoá tiristor cần không dưới 50 s nên tần số không vượt quá 20.000 Hz. 2.5.3. Lò nấu chảy cảm ứng tần số công nghiệp Nhiệt truyền sâu làm chảy kim loại nên tần số cần thấp. Sơ đồ mạch lực của lò hình 2.29. Hình 2.29. Sơ đồ điện lò cảm ứng tần số công nghiệp 171 HÀN ĐIỆN Hàn hồ quang Hàn tiếp xúc Hàn tay Hàn bán tự động Hàn tự động Hàn điểm Hàn nối Hàn bước Hàn đường Hình 2.30. Phân loại hàn điện Lò cảm ứng tần số công nghiệp có thể là một pha (khi công suất nhỏ) hoặc ba pha (khi công suất lớn). Lưới điện ba pha tần số 50 Hz đưa vào biến áp lò BAL qua cầu dao cách ly CL và máy cắt lực MC. Biến áp lò BAL có thể điều chỉnh công suất cấp cho lò nhờ điều chỉnh tải ở cuộn sơ cấp. Thứ cấp biến áp lò đấu tam giác và điện áp cấp cho lò lấy trên pha C. Bộ tụ C để bù cos và có thể thay đổi cấp bù nhờ khoá K. Để tạo cân bằng ba pha, sơ đồ có khối đối xứng ĐX gồm cuộn kháng Ls đấu song song pha B và điểm giữa đấu với đầu pha C qua bộ tụ CS, có thể thay đổi trị số điện dung CS nhờ khoá KS. Điều chỉnh điện dung CS có thể bằng tay hoặc tự động. Hai lò làm việc luân phiên nhờ chuyển đổi đóng mở hai cầu dao 1CD và 2CD. Để sấy lò hay tăng nhanh nhiệt lúc bắt đầu chạy lò, lò còn có thêm máy biến áp tự ngẫu để mở máy với công suất 30  50% công suất định mức của lò. Khi lò làm việc bình thường thì máy biến áp này được ngắt ra khỏi mạch. 2.6. Trang bị điện - điện tử nhóm máy hàn 2.6.1. Khái niệm chung và phân loại 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 là do: - Tiết kiệm nguyên vật liệu so với các phương pháp hàn gắn kết khác (5  10)% so với phương pháp tán đinh, 40% so với phương pháp đúc). - Độ bền cơ học mối ghép nối cao. - Giá thành hạ, năng suất cao. 172 - Dễ dàng thực hiện cơ khí hoá và tự động hoá quá trình công nghệ ở mức cao. - Cải thiện được điều kiện làm việc cho công nhân ghép nối kim loại. Về tổng thể, hàn điện có thể chia thành hai loại lớn là hàn nóng chảy và hàn áp lực. Hàn nóng chảy phải tạo nhiệt làm nóng chảy các kim loại tại chỗ hàn để chúng liên kết với nhau. Nhiệt có thể tạo ra nhờ hồ quang điện (hàn hồ quang), nhờ dòng điện qua xỉ nóng chảy (hàn xỉ điện), nhờ nhiệt tạo ra khi bắn phá kim loại nhờ chùm điện tử trong chân không (hàn bằng tia điện tử), nhờ xung hồ quang (hàn xung hồ quang), nhờ ngọn lửa hồ quang plasma (hàn hồ quang plasma), nhờ năng lượng quang điện tử của tia la-ze (hàn la-ze)... Hàn áp lực là nhờ ép mạnh hai vật cần kết dính rồi nhờ tác dụng nhiệt hoặc tác dụng khác để hai vật kết dính với nhau, chẳng hạn nhờ nhiệt của dòng điện chảy qua chỗ tiếp xúc (hàn tiếp xúc), nhờ năng lượng của sóng siêu âm (hàm siêu âm), nhờ nhiệt ma sát ở chỗ nối (hàn ma sát), nhờ nhiệt dòng cao tần (hàn dòng cao tần)... Phân loại các phương pháp hàn điện được biểu diễn trên hình 2.30. 2. Các yêu cầu chung đối với nguồn hàn hồ quang 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). 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. - U20min= (45 ÷ 55) V đối với nguồn hàn một chiều. Đối với công nghệ hàn tiếp xúc U0 = (0,5 ÷ 10)V. b. Bội số dòng dòng ngắn mạch không được quá lớn λi  1,2 2I I nm (2.27) 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. 173 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 (hình 2.31): - 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). * Dạng đặc tính ngoài mềm 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 I2 I21 I22 U201 U202 a) I2 I21 I22 U21 U22 U2 U2 b) Hình 2.31. Đặc tính ngoài của nguồn hàn a. dạng đặc tính ngoài mềm; b. dạng đặc tính ngoài cứng 174 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 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, 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 1000 A: U2 = 19 + 0,037I2 (2.28) - Với dòng hàn tới 2000 A: U2 = 13 + 0,0135I2 (2.29) 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). Nguồn hàn hồ quang có tuổi thọ cao khi thoả mãn điều kiện: 175 Q1 = Q2 (2.30) trong đó: Q1 = 0,239. 122 .R.I  là nhiệt lượng toả ra khi hàn với thời gian 1 . )(kQ 212  là nhiệt lượng toả ra môi trường xung quanh trong một chu kì làm việc 21CK  . k là hệ đặc trưng cho chế độ toả ra nhiệt của nguồn hàn tính một cách gần đúng, có thể coi hệ số k = const. Từ biểu thức 2.24 ta có: )(kRI.239,0 21122  (2.31) R239,0 k.I 21 1 22   trong đó: tỉ số 21 1  được gọi là hệ số tiếp điện tương đối TĐ% của nguồn hồ quang. %100.§%T 21 1  (2.32) 4. Các loại nguồn hàn a. 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. - Máy 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. 176 - Điều chỉnh dòng hàn bằng bộ điều áp xoay chiều. * Máy biến áp hàn có cuộn dây động Máy biến áp hàn với từ thông tản tăng cường có cuộn dây động được biểu diễn như trên hình 2.32. Cấu tạo của nó gồm có: mạch từ 3, cuộn dây cố định - cuộn dây sơ cấp của biến áp hàn 1 và cuộn dây động- cuộn dây thứ cấp của biến áp hàn. Cuộn dây 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 điện kháng của biến áp chính là thay đổi được dòng hàn (I2). Dòng hàn tỉ lệ nghịch với khoảng cách giữa hai cuộn dây, và tỉ lệ đó là phi tuyến. Với khoảng cách giữa hai cuộn dây càng lớn hiệu quả điều chỉnh dòng 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 sang nối tiếp. Giữ tỉ số biến áp và điện áp thứ cấp không tải không đổi. Trên hình 2.32a và 2.32b là sơ đồ đấu dây của biến áp hàn và đặc tính điều chỉnh dòng hàn I2 = f(a) (với a là khoảng cách giữa hai cuộn dây, khoảng cách a thay đổi). * Máy biến áp hàn có shunt từ động Máy biến áp hàn với từ thông tản tăng cường có shunt từ động được biểu diễn dưới trên hình 2.33. 3 2 1 a) I2 a b) Hình 2.32. Máy biến áp hàn có cuộn dây động a. Cấu tạo; b. đặc tính điều chỉnh dòng hàn 177 Cấu tạo của nó gồm: hai cuộn dây sơ cấp và thứ cấp 1 và 2 của máy được phân bố đối xứng trên mạch từ 3 của biến áp hàn. Shunt từ động 4 nằm giữa hai cuộn dây. Shunt từ chuyển động di sâu vào của biến áp bằng tay quay hoặc trục vít vô tận. Khe hở không khí  là khe hở giữa mạch từ của máy 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 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 (hành trình Z) được biểu diễn trên hình 2.32c. * Máy biến áp hàn có cuộn kháng ngoài Biến áp hàn (hình 2.34a) như một biến áp bình thường: Cuộn sơ cấp W1 nối vào lưới điện, cuộn thứ cấp W2 tạo điện áp không tải đủ mồi hồ quang. Để điều chỉnh dòng hàn và tạo ra đường đặc tính ngoài mềm, biến áp hàn có thêm cuộn kháng CK gọi là cuộn kháng ngoài vì không liên quan gì tới biến áp về mặt kết cấu  Z xmin Z x a) b) c) 2 1 3 4 Hình 2.33. Biến áp hàn có shunt từ động a. cấu tạo; b.hành trình của shunt từ; đặc tính điều chỉnh dòng hàn W1 W2 CK HQ  Hình 2.34a. Sơ đồ nguyên lý biến áp hàn có cuộn kháng ngoài 178 U I Inm3 Inm2 Inm1 0 1 2 3 1 < 2 < 2 Hình 2.34b. Họ đặc tính ngoài của máy biến áp hàn có cuộn kháng ngoài U0 Nếu 2U là điện áp cuộn thứ cấp thì điện áp không tải là: 20 UU   Khi hàn (có dòng tải I ) thì ngoài điện áp hồ quang là hqU còn có điện áp trên cuộn kháng CKU nên: 20 hq CKU U U  Vì điện trở của cuộn kháng CK rất bé, có thể bỏ qua nên tổng trở của cuộn kháng coi như chỉ có thành phần điện kháng XL = 2fL và sụt áp là: 2CKU fLI Từ đó ta có điện áp hồ quang: 2 2 2hq CKU U U U fLI    (2.33) Vậy dòng hàn hồ quang tăng thì hqU giảm. Lúc mồi hồ quang nmI I thì 0U hq  và theo (2.27) ta có: fL2UII 2nm  (2.34) Từ trở của cuộn kháng CK tỉ lệ nghịch với điện càm L nên khi độ rộng khe hở không khí  tăng thì từ trở  tăng, điện kháng L giảm và Inm tăng. máy biến áp hàn có cuộn kháng ngoài có họ đặc tính ngoài như trên hình 2.34b. Điều chỉnh dòng điện hàn theo khe hở không khí  đảm bảo điều chỉnh trong liên tục và chính xác. Nếu cuộn kháng CK có nhiếu đầu ra thì không cần điều chỉnh 179 W1 W2 RV U + - 1 2 1 2 CM F khe hở không khí. Lúc đó ta điều chỉnh dòng hàn từng cấp. b. 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 tiristor ). * Máy phát hàn một chiều có cuộn kích từ KT độc lập và cuộn khử từ (KhT) nối tiếp. Máy phát có hai cuộn kích từ (hình 2.35a). Cuộn W1 là cuộn tạo ra từ thông kích từ chính t và được cấp điện từ một nguồn một chiều độc lập có điều chỉnh dòng kích từ nhờ biến trở RV. Cuộn khử từ W2 đấu nối tiếp với phần ứng máy phát và có dòng hàn chảy qua. Từ thông do cuộn W2 sinh ra là 2 sẽ ngược chiều với từ thông chính 1. Như vậy từ thông tổng kích từ của máy phát là:  = 1 + 2 Khi không tải Ihq = 0 và 2 = 0. Điện áp máy phát lúc không tải do 1 quyết định: U0 = E0 = ke1 trong đó: ke là hệ số phụ thuộc kết cấu máy phát;  là tốc độ quay phần ứng máy phát (rad/s). Hình 2.35a. Sơ đồ nguyên lý máy phát điện có cuộn KT độc lập và cuộn KhT nối tiếp 180 Khi có tải Ihq  0 và cuộn W2 có dòng điện hồ quang chảy qua, sinh ra từ thông 2 tỉ lệ với Ihq và ngược chiều 1, nên: F21eFhq0hq IR)(kRIEU  (2.35) Đặc tính ngoài của máy phát có dạng hình 2.35b. * Máy phát hàn một chiều có cuộn kích từ song song và cuộn khử từ nối tiếp Máy phát hàn có cuộn kích từ độc lập cần phải có một nguồn một chiều độc lập riêng. Để tiện sử dụng máy loại này dùng ngay nguồn một chiều của nó để tự kích từ. Sơ đồ mạch như trên hình 2.36. Cuộn kích từ chính W1 được cấp một phần điện áp phát ra từ phần ứng máy phát và được điều chỉnh dòng kích từ qua chiết áp RV. Họ đặc tính ngoài tương tự như hình 2.35b. * Máy phát hàn điện một chiều có cực từ rẽ Máy phát hàn điện một chiều có cực từ rẽ (hình 2.36) tạo ra đặc tính ngoài dốc do tác dụng khử từ của từ thông sinh ra trong cuộn dây phần ứng máy phát (do phản ứng phần ứng). Máy phát có hai cuộn kích từ: cuộn kích từ chính W1 và phụ W2. Khi hàn, dòng hàn chảy qua phần ứng sẽ tạo ra một luồng từ thông ư hướng ngược lại với từ thông n. Từ thông n càng giảm khi dòng hàn càng tăng và làm giảm điện áp cảm ứng giữa hai chổi than a và b. Như vậy đặc tính ngoài của máy phát mềm là do tác dụng của từ thông phản ứng phần ứng. Khi ngắn mạch, dòng phần ứng lớn nhất và từ thông tổng bị giảm về 0, sức điện động máy phát cũng giảm về 0. U I Inm2 Inm1 0 Hình2.35b. Họ đặc tính ngoài của máy phát điện khi thay đổi số vòng dây U0 W21 > W22 W21 W22 181 Khi không tải, dòng phần ứng không có, ư = 0, từ thông tổng lớn nhất, máy phát điện áp lớn nhất. Điều chỉnh dòng hàn nhờ chỉnh định biến trở RV đấu trong mạch cực từ phụ (điều chỉnh tinh). Điều chỉnh thô nhờ điều chỉnh chổi than c. Nếu dịch theo chiều quay máy phát thì dòng hàn giảm vì khi đó tác dụng của từ thông phần ứng ư tăng. Khi dịch chổi than c theo hướng ngược chiều quay của máy phát thì dòng hàn tăng. * Chỉnh lưu hàn Kỹ thuật bán dẫn chế tạo được các linh kiện điện tử công suất lớn đã giúp cho nguồn chỉnh lưu có một vai trò quan trọng. Ưu điểm của nó so với máy phát hàn điện một chiều là: - Chỉ tiêu năng lượng cao. - Không có phần quay. - Hiệu suất cao. Nguồn hàn chỉnh lưu có hai phần: máy biến áp và khối chỉnh lưu. Chỉnh lưu có thể có điều khiển hoặc không điều khiển. Hình 2.38 là sơ đồ tổng thể của bộ chỉnh lưu hàn có điều khiển W1 W2 RV + 1 2 CM F Hình 2.36. Sơ đồ nguyên lý máy phát điện hàn một chiều có cuộn KT song song và cuộn KhT nối tiếp - F + - W1 W2 a b c RV Hình 2.37. Sơ đồ nguyên lý máy phát điện có cực từ rẽ 182 Biến áp BA để tạo một điện áp hàn thích hợp. Điện áp này sẽ được chỉnh lưu thành nguồn hàn một chiều và được san bằng bởi cuộn kháng CK. Để có đặc tính ngoài phù hợp với công nghệ hàn bằng tay, bán tự động, tự động, sơ đồ có các mạch vòng phản hồi âm dòng (khi hàn tay) và phản hồi âm áp (khi hàn tự động, bán tự động). Dùng phản hồi nào là nhờ chuyển mạch CM. Chỉnh lưu hàn được phân ra làm ba loại theo đặc tính ngoài: - Chỉnh lưu hàn có đặc tính ngoài dốc đứng. - Chỉnh lưu hàn có đặc tính ngoài cứng (hay dốc thoải). - Chỉnh lưu hàn vạn năng có thể cho đặc tính ngoài dốc hay cứng. 2.6.2. Phân tích mạch điện các m áy hàn điển hình 1. Máy hàn hồ quang tự động dùng que hàn không nóng chảy (hàn TIG) Máy hàn TIG dùng để hàn thép không gỉ, hợp kim đồng, thép mềm, thép có hàm lượng cacbon thấp, Titan và lá thép kỹ thuật điện. Nguồn hàn trong các máy hàn TIG có thể là nguồn hàn một chiều hoặc xoay chiều với họ đặc tính ngoài dốc để đảm bảo dòng điện hàn ổn định. Khi độ dài ngọn lửa hàn thay đổi, đảm bảo cho hồ quang cháy ổn định trong quá trình hàn. Bởi vậy điện áp không tải của nguồn hàn yêu cầu cao hơn điện áp hàn hồ quang khá lớn (U20 = (4 ÷ 6)U2). Máy hàn TIG V200-TIG (hãng LINCOLN sản xuất) là loại máy hàn đa chức năng có thể thực hiện các chễ độ hàn khác nhau: hàn TIG 2 bước, hàn TIG 4 bước, hàn dính. * Thông số kỹ thuật của máy hàn: - Điện áp nguồn cấp: một pha xoay chiều : 220 V. -Tần số 50 Hz. - Dòng điện sơ cấp cực đại : 33A. - Công suất cực đại : 7,6 kVA. - Hệ số công suất Cos = 0,9. - Hiệu suất : 0,75. BA CL CM I II U1 U + - CK Rsh Hình 2.38. Sơ đồ khối bộ chỉnh lưu hàn có điều khiển 183 - Điện áp thứ cấp không tải : U20 =80 V. - Dòng hàn điều chỉnh trong phạm vi : (1 ÷ 200) A. Sơ đồ khối của máy hàn TIG V200-TIG được biểu diền trên hình 2.39 và sơ đồ nguyên lý điện (tối giản) được biểu diễn trên hình 2.40. *Chức năng của các khối trong sơ đồ: - Nguồn điện lấy từ lưới điện cấp cho máy hàn qua mạch lọc 6 gồm các phần tử R1, R2, C1 và C2 là mạch lọc vi - tích phân - Khối 1 là khối chỉnh lưu cầu 1 pha gồm bốn điốt D1 ÷ D4 kết hợp với tụ lọc điện C3 biến điện áp xoay chiều từ lưới điện xoay chiều thành điện áp 1 chiều ( nguồn áp 1 chiều) - Khối 2 là khối biến tần (nghịch lưu nguồn áp) biến điện áp một chiều thành điện áp một chiều tần số cao gồm 4 Transistor VT1÷ VT4. Nguyên lý làm việc của bộ biến tần là bộ biến tần nguồn áp điều biến độ rộng xung điện áp và tần số ra của nó do mạch điều khiển quyết định. - Khối 3 là biến áp tần số cao, mạch từ dùng Ferit, điện áp đặt vào cuộn dây sơ cấp tùy thuộc vào dòng hàn quyết định - Điện áp ra của biến áp có tần số cao, điện áp thấp được chỉnh lưu và được lọc thành nguồn hàn một chiều bằng điot D9,D10 và cuộn kháng CK (khối 4). - Khối 5 là khối điều khiển có chức năng sau: Điều chỉnh dòng hàn. Bảo vệ quá tải. Ưu điểm của máy hàn TIG V200-TIG dùng bộ biến tần gồm: - Kích thước và khối lượng biến áp hàn nhỏ hơn so với biến áp hàn tần số công nghiệp. - Có thể thực hiện được phương pháp hàn khác nhau. - Khả năng điều chỉnh dòng hàn trong một dải rộng. 2. Máy hàn hồ quang bán tự động trong khí bảo vệ CO2 và trong khí Agon RFI 6 BT 2 BA 3 CL 4 CL 1 ĐK 5 Hình 2.39. Sơ đồ khối của máy hàn TIG V200 - TIG 184 Máy hàn hồ quang bán tự động dùng khí CO2 để bảo vệ trường dùng dây hàn là hợp kim Mangan-silic, dùng để hàn các chi tiết bằng thép cacbon thấp, đường kính dây hàn từ (0,8 ÷ 2) mm. Sơ đồ nguyên lý của toàn máy hàn được biểu diễn trên hình 2.40. Trong máy hàn TA350A có các bộ phận chính sau: * Nguồn hàn gồm: -Biến áp hàn Tr1, cuộn sơ cấp nối theo hình tam giác, 6 cuộn sơ thứ cấp nối theo hình tia. -Mạch chỉnh lưu có điều khiển dùng 6 tiristo SCR1 ÷ SCR6 nối theo sơ đồ chỉnh lưu hình tia có điểm trung tính. -Cuộn kháng lọc 1 chiều DCL. * Động cơ ra dây hàn MOTO (WIRE FEEDER) dùng động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập Uđm= 48 V, Pđm =90 W. * Mạch điều khiển toàn máy gồm: - Điều chỉnh dòng hàn từ (60 ÷ 350) A bằng chiết áp VRa - Điều chỉnh điện áp hàn từ (16 ÷ 36)V bằng chiết áp VRv - Chọn phương án hàn bằng công tức S3. 185 Hình 2.40. Sơ đồ nguyên lý điện máy hàn TIG V200 - TIG 186 Hình 2.41. Sơ đồ nguyên lý máy hàn TA - 350A 187 3. Máy hàn điểm MT – 2103 (Nga chế tạo). * Công dụng: Dùng để hàn các chi tiết bằng hợp kim, thép không gỉ, hợp kim titan, hợp kim nhôm và thép có hàm lượng cacbon thấp. * Thông số kỹ thuật. - Công suất định mức: 122 kVA. - Điện áp nguồn cấp 380 V. - Điện áp thứ cấp không tải U20 = (5,5 ÷ 9) V. - Số cấp điều chỉnh dòng hàn: 6. - Dòng hàn cực đại I2max = 21 kA. - Hệ số tiếp điện tương đối TĐ% = 50%. Sơ đồ nguyên lý của máy hàn điểm MT 2103 (hình 2.42). Hình 2.42. Sơ đồ nguyên lý điện máy hàn điểm MT 2103 * Nguyên lý làm việc của máy như sau: Nguồn cấp hai pha (380 V) cấp cho biến áp hàn BAH được cấp khi đóng áptomat Ap. Áptomat Ap có cơ cấu bảo vệ quá tải. Trong trường hợp bị quá tải, tiếp điểm liên động với rơle nhiệt RN đóng lại, cuộn hút NC có điện sẽ làm cho áptomat Ap tác động, biến áp hàn BAH không được cấp nguồn. Trong trường hợp cần dừng 188 khẩn cấp, ấn nút dừng D, cuộn hút NC cũng có điện, áptomat Ap tác động BAH cũng bị cắt nguồn cấp. Khi đóng áptomat Ap, biến áp hàn BAH được cầp nguồn đồng thời cấp nguồn cho biến áp nguồn BA cấp nguồn cho tủ điều khiển. Tủ điều khiển của máy hàn thực hiện các chức năng sau: Điều chỉnh tinh dòng hàn bằng cách điều chỉnh góc mở α của hai tiristo 1T và 2T (bộ điều áp xoay chiều một pha). 4. Máy hàn đường FN1-150-1/2 (Trung Quốc sản xuất) * Thông số kỹ thuật: - Công suất của máy biến áp hàn: S = 150 kVA. - Điện áp sơ cấp: U1 = 380 V. - Dòng điện sơ cấp: I1 = 395 A. - Hệ số tiếp điện tương đối: TĐ% = 50%. - Điện áp thứ cấp: U2 = 3,88 ÷ 7,76 V. - Số cấp của chuyển mạch : 8. - Chiều dày của cực đại của chi tiết hàn (2+2) mm. Tốc độ hàn v = (1,2 ÷ 4,3) mm/phút. * Sơ đồ nguyên lý mạch lực của máy hàn (hình 2.43). - BAH, biến áp hàn, với cuộn sơ cấp có nhiều đầu ra để thay đổi thô dòng hàn. - CM - chuyển mạch, dùng để thay đổi số vòng dây sơ cấp của BAH, với bộ chuyển mạch N1, N2 và N3 có thể thay đổi được 8 cấp điện áp ra từ 3,38V đén 7,76V. - SCR1, SCR2 là hai tiristo tạo thành bộ điều áp xoay chiều một pha có hai chức năng: điều chỉnh tinh dòng hàn và đóng cắt dòng hàn (chức năng như một công tắc tơ xoay chiều không tiếp điểm). - ĐK - động cơ không đồng bộ ba pha truyền động quay con lăn để tạo ra tốc độ hàn. Việc điều chỉnh tốc độ hàn từ 1,2 đến 4,3 m/phút thực hiện bằng cách thay đổi đường kính puli trong cơ cấu truyền lực của hệ truyền động quay con lăn. * Nguyên lý làm việc của sơ đồ mạch lực như sau: - Đóng cầu dao CD, công tắc K1 và K2. - Đạp công tắc đạp chân (nấc 1) của JK, rơ le trung gian J1 có điện, tiếp điểm của nó sẽ đóng điện cho rơ le điện – khí nén DF có điện, khi hai chi tiết đã bị ép (do hệ thống khí nén thực hiện), đạp tiếp nấc thứ hai của JK, rơ le trung gian J1 và J3 có điện. Đóng điện cho động cơ ĐK truyền động quay con lăn và cấp điện cho tủ điều khiển mở SCR1 và SCR2 cấp điện cho biến áp hàn BAH. * Mạch điều khiển bộ điều áp xoay chiều 1 pha (SCR1 và SCR2) được biểu diễn trên hình 2.44. 189 Hình 2.43.Sơ đồ nguyên lý mạch lực máy hàn FN1 -150-1/2 Bộ điều áp một pha cấu thành từ hai tiristo SCR1 và SCR2 thực hiện hai chức năng: - Điều chỉnh tinh dòng hàn bằng cách thay đổi góc mở  của hai tiristo (chính là thay đổi điện áp đặt vào cuộn sơ cấp của biến áp hàn BAH). - Đóng – cắt dòng hàn như một công tắc tơ phi tiếp điểm. 190 * Nguyên lý làm việc của mạch điều khiển như sau: - Điều khiển góc mở  của các tiristo dựa theo nguyên tắc điều khiển “thẳng đứng” gồm các khâu như sau: - Khâu đồng pha gồm: Biến áp đồng pha BA1, điốt BG9, BG10, BG20, BG25 và các điện trở R12 đến R14. - Khâu tạo điện áp tựa răng cưa (Urc) gồm các transitor BG30, điốt DG62, tụ C10 và R56. - Khâu so sánh và tạo thời điểm phát xung transitor BG33 đảm nhiệm. Nó so sánh hai điện áp: điện áp răng cưa (Urc) đặt vào điện cực emitor của BG33, còn điện áp điều khiển (Uđk) đặt vào cực bazơ của BG33. - Tiristor SCR3 là tiristor phụ để kích mở hai tiristo lực SCR1 và SCR2. - Khi điện áp Uđk lấy trên chiết áp W2 càng tăng, góc mở  của các tiristor càng tăng, điện áp đặt vào cuộn sơ cấp của BAH càng giảm và dòng hàn càng giảm và ngược lại. Hình 2.44. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển máy hàn FN1 - 150 - 1/2