Máy hàn dùng thysistor

 

Máy hàn hồ quang điện xoay chiều một pha điều chỉnh dòng điện hàn và điện áp mồi hàn bằng van bán dẫn công suất thysistor (SCR).

Lĩnh vực kỹ thuật được đề cập:

Sản phẩm đề cập đến một giải pháp kỹ thuật để điều chỉnh dòng điện hàn và điện áp mồi cho máy hàn hồ quang điện xoay chiều một pha. Bằng việc sử dụng van bán dẫn công suất SCR, sẽ làm cho việc điều chỉnh dòng điện hàn và điện áp mồi một cách đơn giản, linh động hơn và giảm giá thành sản phẩm.

Tình trạng kỹ thuật của Sản phẩm:

Máy hàn hồ quang điện là thiết bị phát ra dòng năng lượng xác định để tạo ra hiện tượng hồ quang điện, mối hàn được tạo ra bởi nhiệt độ rất cao của dòng hồ quang điện giữa điện cực và vật hàn. Một máy hàn thường được thiết kế để dùng với nhiều cỡ que hàn khác nhau.

Yêu cầu của nguồn điện hàn là phải có đặc tính U-I dốc xuống để hạn chế dòng ngắn mạch và nâng cao tính chất ổn định dòng hàn khi chiều dài hồ quang thay đổi khi thao tác. Mặt khác dòng hàn phải có phạm vi điều chỉnh đủ rộng (thường từ 30 đến 400 ampe) để có thể đáp ứng các yêu cầu ứng dụng. Một thông số khác của nguồn điện hàn cũng quan trọng không kém, đó là điện áp không tải OCV - Open circuirt voltage, nó phải đủ cao để có thể kích hoạt hồ quang, song không gây nguy hiểm cho người sử dụng.

Khi cường độ dòng điện hàn quá thấp thì que hàn dễ bị dính vào chi tiết, sự loãng chảy của mối hàn kém, độ ngẫu thấp, mối hàn nhô cao và dễ ngậm xỉ hoặc bọt khí. Ngược lại, khi cường độ dòng hàn quá cao thì quá trình hàn gây ra nhiều văng toé, hoặc cháy biên do phải di chuyển nhanh, mối hàn dễ bị thủng khi hàn chi tiết mỏng hoặc chảy xệ khi hàn tư thế ngược.

Dòng hàn hợp lý phụ thuộc vào các yếu tố sau: đường kính lõi que và bề dày thuốc bọc, các tính chất và đặc điểm của que hàn, vật liệu cơ bản(vật liệu của chi tiết hàn), tư thế hàn, loại (kiểu mối nối), bề dày chi tiết.

Một vài thiết kế đã được sử dụng rộng rãi trong vài thập niên gần đây. Để thu được đặc tính ngoài U-I dốc và hạn chế dòng ngắn mạch các thiết kế trước đây tập trung can thiệp vào mạch từ của máy biến áp:

·        Mắc cuộn cản nối tiếp với cuộn thứ cấp của máy biến áp.

·        Kết hợp cuộn cản với mạch từ của máy biến áp.

·        Di động cuộn dây thứ cấp để thay đổi sự tản từ trong mạch từ.

Có một phương pháp đơn giản nữa là mắc điện trở nối tiếp với cuộn thứ cấp của máy biến áp.

Lấy ví dụ máy biến áp có cuộn cảm riêng kiểu CTE. Máy này làm việc cùng với cuộn cản kiểu PCT để tạo nên đặc tính ngoài dốc và điều chỉnh dòng hàn. Phần điều chỉnh được mắc nối tiếp vào đoạn dây hàn dẫn tới kìm hàn. Biến áp có lõi thép (dẫn từ) gồm những lá thép kỹ thuật điện và cách điện với nhau bằng sơn cách điện. Những lá thép này được xiết chặt với nhau bằng các vít cấy cách điện với lõi thép (thường dùng chất cách điện là bìa ép). Xung quanh lõi thép, một phía quấn hai cuộn sơ cấp (K1) và trên chúng là hai cuộn sơ cấp (K2). Làm như vậy để giảm bớt sự tản mát từ thông. Các cuộn sơ cấp có thể mắc song song hay nối tiếp, còn cuộn thứ cấp thường là mắc song song.

Phần điều chỉnh (cuộn cản) gồm một hoặc hai cuộn (P) được bắt chặt trên lõi. Lõi được cắt bởi cụm di động. Cụm này có thể chuyển dịch nhờ sự quay của vít (B) qua tay quay. Để giảm rung động và loại trừ sự lệch cụm di động, người ta bắt thêm hai lò xo vào phần tĩnh của cuộn cản.

Khi tạo thành hồ quang , dòng điện đi qua cuộn thứ cấp của biến áp, qua cuộn điều chỉnh, tạo ra quanh nó dòng từ, dòng này làm cho lõi thép bị nhiễm từ và khi chuyển động quanh mình, nó cắt cuộn dây thứ cấp, gây nên sức điện động ngược (sức điện động tự cảm) khi gặp điện áp vào. Khi tăng khe hở của điện trở không khí để dòng từ tăng lên thì trị số của nó giảm xuống, làm giảm sức điện động ngược, còn cường độ dòng điện hàn thì tăng lên. Khi cụm di động dịch chuyển thì sẽ làm cho khe điện trở không khí giảm xuống, từ thông tăng lên, sức điện động ngược tăng, còn dòng điện hàn giảm đi.

 

 

Hình 2: Máy biến áp hàn kiểu CTE

 

Máy biến áp hàn kiểu CTH và CTD:

Nguyên lý tác dụng của nó cũng giống như máy biến áp CTE nhưng có điểm khác là ở biến áp CTH và CTD có lồng vào cuộn điều chỉnh (cuộn cản). Nguyên lý tác dụng của nó cũng giống như ở cuộn riêng của máy PCT. Dẫn từ của biến áp gồm lõi của biến áp và lõi của cuộn cản. Những lõi này có liên hệ đến việc tách từ giữa chúng với nhau, mà chúng được nạp đầy không có khe hở không khí. Lõi của cuộn cản có cụm di động, như vậy có thể thay đổi khe hở không khí (một hoặc hai). Khi thay đổi như vậy tức là thay đổi chính dòng điện hàn. Dịch chuyển cụm di động ở biến áp CTH tiến hành bằng tay, còn ở máy CTD bằng động cơ có khởi động từ đảo chiều đóng mở bằng hai nút. Ở lõi của biến áp có hai cuộn sơ cấp (I) và hai cuộn thứ cấp (II). Các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp được đấu nối song song hay nối tiếp. Thêm vào đó còn nối đối xứng cuộn thứ cấp và cuộn kháng (III).

Khi lõi thép của cuộn cản có các khe hở nhỏ, tính ổn định của hồ quang kém và sự rung động của cuộn di động tăng. Điều này được giải thích rằng khi khe hở của lõi không lớn, độ nóng ổn định của tia hồ quang với dòng điện nhỏ là khó khăn. Vì vậy các biến áp kiểu này sử dụng thuận lợi đối với dòng trung bình và dòng lớn. Những máy biến áp kiểu TCD được sử dụng để hàn tự động và nửa tự động.

 

 

Hình 3: Máy biến áp hàn kiểu CTH

 

Biến áp kiểu TC gồm lõi thép dạng thanh (1) làm bằng những lá thép kỹ thuật điện kẹp với nhau bằng vít cấy và được cách điện với lõi thép và ê-cu. Tại lõi thép đặt hai cuộn sơ cấp (2) và hai cuộn thứ cấp (3) làm bằng nhôm, còn ở đầu ra có hàn thêm tấm đồng. Cuộn sơ cấp bắt cố định ở dàn dưới. Cuộn thứ cấp là cuộn di dộng. Nó được bắt bằng ê-cu vào thanh dưới và thanh trên. Nó có thể thay đổi hành trình bằng vít bánh răng (4). Kẹp (5) gắn vào cuộn sơ cấp bằng ổ chẹn để cho hành trình của vít đi qua lỗ bên trong giàn và bố trí ở cửa của biến áp. Trên trục vít có bắt bánh răng chuyển động, (truyền động hành tinh). Khi quay tay quay (6) dẫn đến quay trục vít ê-cu, làm trục vít ê-cu chuyển động lên trên hay xuống dưới phụ thuộc vào hướng quay của tay quay. Đồng thời với sự dịch chuyển ê-cu, tấm bản cũng làm quay cuộn dây thứ cấp.

Khi đưa điện áp vào cuộn dây sơ cấp trong đó có dòng điện chạy qua thì sẽ tạo nên từ thông. Từ thông này cắt qua cuộn dây thứ hai, cảm ứng trong chúng sức điện động và ở đầu dây xuất hiện điện áp.

 

Hình 4: Máy biến áp hàn kiểu TC

Khi hàn, không phải tất cả từ lực chuyển qua dẫn từ và cắt cuộn thứ cấp mà một phần từ thông bị phân nhánh và đóng kín mạch qua không gian tạo nên từ thông phân tán. Nó tạo ra trong cuộn sơ cấp sức điện động tự cảm.

Khi tăng dòng điện hàn thì từ thông tản cũng tăng, làm tăng sức điện động ngược gây nên đặc tính ngoài dốc.

Để tạo ra đặc tính ngoài dốc đứng, cuộn cản được tăng lên nhờ tách xa cuộn sơ cấp khỏi cuộn thứ cấp và càng tách xa nhau đường từ càng khép kín qua không khí, càng ít cắt cuộn dây thứ cấp. Khi đó dòng điện hàn bị giảm thấp. Khi các cuộn dây gần nhau thì dòng điện hàn tăng lên.

Các thiết kế kể trên đạt được các yêu cầu về nguồn điện cấp cho hàn hồ quang:

·        đảm bảo điện áp mồi để mồi tia hồ quang và giữ cho tia hồ quang ổn định .

·        khống chế dòng ngắn mạch

·        nhanh chóng thay đổi điện áp phù hợp với sự thay đổi điện trở của hồ quang

Nhưng còn có các nhược điểm:

·        thiết kế, quy trình sản xuất máy biến áp phức tạp dẫn đến tăng giá thành, tăng kích thước, trọng lượng của thiết bị.

·        có phần tử cơ khí chuyển động ảnh hưởng đến tuổi thọ của thiết bị, gây khó khăn trong sử dụng

·        khó khăn trong việc điều chỉnh điện áp mồi để phù hợp với các loại que hàn khác nhau

 

Mô tả bản chất kỹ thuật:

Sản phẩm đề xuất để khắc phục các vấn đề nêu trên, mục tiêu của Sản phẩm là làm  sao để thay đổi đường đặc tính U-I một cách đơn giản, hiệu quả và kinh tế hơn. Bên cạnh đó có thể thay đổi điện áp mồi để phù hợp với các loại que hàn khác nhau. Với cách này có thể thay đổi một cách mềm dẻo dòng năng lượng đưa ra mỏ hàn.

Thay vì can thiệp vào sự truyền năng lượng của biến áp hàn, cụ thể là mạch từ của biến áp hay mạch từ của cuộn cản, Sản phẩm đưa ra giải pháp điều khiển dòng năng lượng đưa ra mỏ hàn bằng cách thay đổi biên độ điện áp đặt lên biến áp, tức là thay đổi dòng năng lượng đưa vào máy biến áp.

Giải pháp kỹ thuật của Sản phẩm là:

·        dùng một cặp van bán dẫn công suất SCR để khống chế dòng điện xoay chiều đưa vào biến áp.

·        thuật toán điều khiển chạy trên một vi điều khiển họ PIC (μC).

·        dùng một biến dòng đo dòng xoay chiều đi vào biến áp, tín hiệu đo được đưa về vi điều khiển.

Hai van bán dẫn SCR mắc song song ngược chiều nhau có khả năng điều khiển dòng điện xoay chiều đi qua theo một góc mở nhất định tuỳ thuộc vào tín hiệu điều khiển ở cực gate của SCR.

Đặc tính của van SCR là khi điện áp hình sin đặt lên chiều thuận của van nếu chưa có tín hiệu cho phép mở van ở chân gate thì van không cho phép dòng điện chảy qua. Xét tại một nửa chu kỳ hình sin của điện áp xoay chiều một pha và một van SCR: Khi góc pha của vector điện áp đạt đến một góc α, nếu có tín hiệu cho phép mở van ở chân gate thì van SCR sẽ cho phép dòng điện chảy qua. Nếu mở van tại thời điểm góc α càng lớn thì biên độ điện áp đặt lên biến áp càng nhỏ và dòng điện cũng nhỏ theo, dẫn đến giảm công suất đưa ra mỏ hàn. Tương tự, van SCR thứ hai điều khiển dòng xoay chiều nửa chu kỳ còn lại của điện áp xoay chiều.

 

 

Hình 5: Sơ đồ khối của máy hàn dùng thysistor

 

Lợi dụng đặc điểm của dòng điện vào máy hàn là khi chưa hàn thì dòng điện vào biến áp chỉ là dòng điện không tải (I₀) nhỏ hơn rất nhiều so với dòng điện lúc hàn. Cho nên nếu dùng một biến dòng đo dòng vào biến áp thì có thể phát hiện được thời điểm chuyển chế độ mồi và chế độ hàn.

Nhiệm vụ của vi điều khiển là phát hiện thời điểm hồ quang đã mồi xong (bắt đầu hàn) để chuyển sang chế độ hàn và thời điểm hàn xong (nhấc mỏ hàn lên) để đưa máy hàn về chế độ mồi hồ quang.

Thuật toán điều khiển chạy trên μC được biểu diễn như hình vẽ và được mô tả như sau: Sau khi khởi tạo giá trị ban đầu cho các biến, cổng vào ra, khởi tạo chế độ hoạt động cho các thiết bị ngoại vi xong, vi điều khiển chuyển sang chế độ chờ ngắt ngoài từ mạch phát hiện qua điểm không (Zerocross detect - ZD) của điện áp xoay chiều. Chức năng của bộ ZD là  để μC đồng bộ thời gian mở van SCR với điện áp xoay chiều, bộ ZD tạo ra một tín hiệu ngắt đến μC mỗi lần điện áp xoay chiều đi qua điểm không, tức là mỗi chu kỳ của hình sin sẽ có hai ngắt.

Trong chương trình con phục vụ ngắt, μC sẽ đọc giá trị dòng điện từ biến dòng và so sánh với giá trị ngưỡng dòng đặt. Nếu dòng điện bé hơn ngưỡng dòng đặt, có nghĩa là máy hàn đang ở chế độ mồi, μC sẽ đọc giá trị điện áp mồi hồ quang từ chiết áp đặt điện áp mồi và mở van SCR theo giá trị đặt tương ứng. Nếu dòng điện lớn hơn ngưỡng dòng đặt, đây là thời điểm bắt đầu mồi hồ quang, μC sẽ đọc giá trị đặt dòng hàn từ chiết áp đặt dòng hàn và mở van SCR theo giá trị đặt tương ứng.