Nghiên cứu máy hàn Inverter ARC cơ bản

1 Giới thiệu
Nhiều nghiên cứu đang phát triển trên nguồn điện hàn. Những nghiên cứu được thực hiện để đạt được hai mục tiêu, thứ nhất: tăng chất lượng hàn và thứ hai: giảm trọng lượng và kích thước. Điện áp cung cấp bởi lưới điện Quốc gia cho mục đích công nghiệp là quá cao để sử dụng trực tiếp trong hàn hồ quang. Do đó, chức năng đầu tiên của hàn thiết bị hồ quang là giảm đầu vào cao đến một phạm vi điện áp đầu ra phù hợp [thường 20-80 Volts]. Hoặc là một biến áp, biến tần, hoặc một máy phát điện động cơ có thể được sử dụng để giảm 120, 240 hoặc 480 V nguồn   thích hợp cho hàn hồ quang; Các thiết bị tương tự cũng cung cấp một dòng điện hàn cao thường từ 30 to1500 (A).

Một nguồn năng lượng biến áp thông thường sử dụng một máy biến áp công suất cao khiến cho trọng lượng và kích thước rất lớn. Nhiều nỗ lực đã được thực hiện để giảm trọng lượng và kích thước của chúng trong đó việc sử dụng một mạch biến tần. Một mạch biến tần có thể giảm đáng kể kích thước và trọng lượng của các thành phần cũng như giảm tổn thất điện của chúng; Biến tần là một mạch trong đó sử dụng các thiết bị trạng thái rắn để chuyển đổi DC thành AC tần số cao, thường ở khoảng 10 kHz đến 500kHz, giả định rằng các nguồn điện hàn thông thường sử dụng máy biến áp hoạt động ở tần số dòng (50 hoặc 60 Hz). Kể từ khi kích thước biến áp tỉ lệ nghịch với tần số, ứng dụng giảm lên đến 75 phần trăm về kích thước nguồn năng lượng và trọng lượng khi sử dụng mạch biến tần;

Để bắt đầu một hồ quang điện, không khí phải chuyển đổi thành trạng thái plasma để giảm trở kháng trong môi trường áp cao thông qua khoảng cách không khí. Việc cung cấp điện do đó phải có khả năng cung cấp cả hai đặc điểm đầu ra (điện áp cao ban đầu và duy trì dòng hàn cao), như thể hiện trên đường cong VI trong Hình 1. Arc starting yêu cầu đối với hàn hồ quang phụ thuộc vào việc phát triển một điện áp giảm đủ giữa các điện cực hàn và các vật liệu gia công để bắt đầu một hồ quang phóng ra trên điện cực. Trong một biến áp bình thường, điện áp mở mạch là một chức năng của điện áp đầu vào sơ cấp và tỷ lệ sơ cấp đến cuộn dây thứ cấp, do đó, để giảm điện áp khi bắt đầu hồ quang, một series inductor có kết quả trong việc tăng trọng lượng và kích thước được sử dụng. Để giảm điện áp trong biến tần, TRC với mức thấp thời gian chuyển mạch được đưa vào sử dụng. Thời gian thấp có thể dẫn đến tiêu hao năng lượng cao trên máy biến áp biến tần và chuyển mạch, do đó làm tăng trọng lượng và kích cỡ. trong nghiên cứu này, tôi chú ý đến một mạch phụ trợ đơn giản mà tạo tần số cao cộng hưởng điện áp vào cùng  đầu ra điện áp DC bằng một coupling transformer và điều này điện áp over-shot có thể gây hồ quang dễ dàng hơn. Khi Arc Starter và dòng tăng, biến áp sẽ được ngắn mạch và hệ thống sẽ duy trì hoạt động của nó. Cách tiếp cận đơn giản này thúc đẩy khởi Arc và ổn định.

2. Hoạt động mạch:

Sơ đồ khối của hệ thống được thể hiện trong hình 2 Giai đoạn đầu tiên là một mạch chỉnh lưu có thể chuyển đổi AC điện áp đầu vào chính để DC trong một tụ lọc. giai đoạn thứ hai là một mạch biến tần có thể chuyển đổi điện áp DC vào một làn sóng vuông tần số cao được áp dụng cho một ferrite lõi bước xuống biến áp để giảm và cô lập các điện áp đầu vào. Sau đó một mạch chỉnh lưu có lợi từ một cặp cực điốt dòng chuyển đổi cựu nhanh (ultra fast high current diodes ) các sóng vuông để tạo điện áp DC và một tụ làm giảm gợn sóng đầu ra. Đây là mạch máy hàn Inverter thông thường. Một biến áp có liên quan đến 3 điện áp đầu ra mà hoạt động như Arc Starter và một tụ điện bỏ qua, Cb, sẽ bỏ qua điện áp tần số cao điện mạch Arc Starter, do đó nó ngăn cản tần số Arc Starter của điện áp cao rò rỉ ảnh hưởng tới mạch biến tần. Arc starter phải hoạt động theo hai điều kiện, cụ thể là; điều kiện mở mạch khi các phương tiện khí xung quanh điện cực đã được ion hóa để bắt đầu vòng cung [Chế độ 1], và một dòng điện thứ cấp lớn khi một plasma tồn tại xung quanh các điện cực [Chế độ 2], Arc starter sử dụng một loạt cộng hưởng song song quy nạp, nạp chuyển đổi trong đó các mạch chuyển đổi cộng hưởng được thể hiện trong hình 3. Các cảm từ hóa (Lm) và điện cảm rò rỉ (LL) của máy biến áp được sử dụng để cộng hưởng với Cr, Một điện áp thứ cấp cao thu được trong chế độ 1 hoạt động bằng cách chuyển các chuyển đổi. Điện áp thu được với tần số cộng hưởng:tần số:

 

 Sử dụng các yếu tố chất lượng của bể chứa năng lượng cộng hưởng sẽ khuếch đại điện áp đầu ra. Trong chế độ hoạt động 2, cốt lõi là bão hòa bởi dòng hàn cao chảy qua các cuộn thứ cấp của máy biến áp; do đó cảm cộng hưởng làm giảm đáng kể vào Lm. Bể chứa lực cho dòng do đó tăng đáng kể trong 2 chế độ hoạt động. Trong trường hợp này hệ thống kiểm soát không theo dõi các cấp năng lượng dòng cao, do đó, bể chứa không tràn đầy năng lượng, và A rc starter không bơm điện áp đầu ra. Năng lượng cần thiết để sạc các tụ điện trong mạch cộng hưởng được lấy từ các nguồn cung cấp DC. Các chuyển mạch được điều khiển bởi các xung từ bộ điều khiển PWM kiểm soát năng lượng đầu vào cho các mạch cộng hưởng. Để có xung phù hợp với, việc chuyển đổi dòng được so sánh với một chuỗi sóng dạn răng cưa.

3 Thiết kế biến áp

Phân tích các biến phức tạp do bão hòa lõi và tổn thất dòng xoáy, đặc biệt là trong các vòng dây dẫn lớn của dòng thứ cấp cao. Khối lượng, trọng lượng và sản xuất được của các máy biến áp cũng là yếu tố quan trọng để đánh giá và cuộn dây hàn thứ cấp có khả năng thực hiện các dòng hàn, có thể là từ 5 đến 200A, và sức đề kháng của nó phải được thiết kế phù hợp. Các hướng dẫn sau đây đã được sử dụng để thiết kế các máy biến áp.

1) cáp hàn được sử dụng trên cuộn dây hàn thứ cấp, do đó, xác định bởi sản lượng dòng hàn định mức của máy hàn. Thứ cấp chiếm hầu hết các không gian trong cửa sổ cuốn dây biến áp, và số vòng thứ cấp được xác định bởi các không gian có sẵn.

2) Một kích thước lõi phù hợp có thể xử lý tích phân yêu cầu điện áp đầu ra được lựa chọn. Một sự cao hơn bình thường mật độ thông lượng cho một tần số nhất định được sử dụng và các tổn thất được giảm bằng cách điều chỉnh chu kỳ nhiệm vụ (duty cycle) của hoạt động burst.

3) Tỷ sốcủa số vòng dây, cũng như các yếu tố chất lượng, xác định điện áp đầu ra trên thứ cấp trong chế độ hoạt động 1. Khi số vòng cuộn sơ cấp giảm, để đạt được tỷ số cao hơn, các yếu tố chất lượng bị suy giảm cùng một lúc. Do đó, điện áp đầu ra không nhạy cảm với tỷ lệ của vòng dây là một mong đợi. Trong khi nghiên cứu, tỷ lệ vòng dây 1: 1 đã được lựa chọn.

4) Chế độ 1 cảm cộng hưởng và điện dung được lựa chọn dựa trên các yêu cầu về tần số cộng hưởng và dự trữ trở kháng đặc tính. Khoảng cách không khí được điều chỉnh để đạt được một LL mong muốn. Lựa chọn cấu hình biến áp tốt nhất bị ảnh hưởng bởi các ứng dụng cụ thể. Theo kinh nghiệm này, tôi sử dụng U_52 lõi biến áp (hình 4). Lợi thế của U-52 biến áp lõi này là có  cửa sổ lớn. Tuy nhiên nhược điểm là xây dựng rất phức tạp do số lượng lớn các lõi xếp chồng lên nhau.

4 Kết quả mô phỏng

ORCAD được sử dụng cho hệ thống mô phỏng để đánh giá hiệu suất của hệ thống. Các thông số mô phỏng như sau:

 

 Vin

= 220 V (rms)

Cs = 4400 µF

Inverter MOSFETs = IRFP 460

Main Transformer = EE-65

Ultra-fast Diodes = DSE160-06                                     

Output inductor = 10 µH

Resonant tank parameters:

Cr

= 4.7 nF,

Lm=Ll

= 2.5 µH

OSC frequency = 100 kHz

Arc starting time = 10µs

Arc stopping time = 70µs

Một chu kỳ điển hình hoàn chỉnh của quá trình hàn (kể cả hồ quang bắt đầu, hàn và ngừng) được thể hiện trong Hình 5. 

  

Trong hình 6a chu kỳ điển hình trong chế độ 1 hoạt động được hiển thị. Điện áp đỉnh mồi hồ quang không phải là yêu cầu liên tục. Chu kỳ được lặp lại cho đến khi hồ quang được xuất hiện khi điện cực hàn đạt đến một khoảng cách đủ từ phôi, ngay lập tức của 20μs khi Arc bắt đầu và trong sức cản không khí 10μs làm giảm khoảng 0,1 ohm. Thời gian cần thiết cho sức cản không khí để làm giảm bớt là phụ thuộc vào nhiều các thông số như nhiệt độ, khoảng cách, đường kính điện cực, áp suất khí …vv.  Nhưng nó thay đổi từ 1-2 ms đến 70 ms. Trong khoảnh khắc của 30μs tới 200μs, không khí đã được chuyển đổi sang trạng thái plasma. Plasma khiến trở kháng thấp để chuyển đổi và tăng dòng hàn (100A) (hình 6).

Kết quả, nhiệt độ cao làm tan chảy các điện cực và vật liệu gia công. Trong hình 7 các mạch cộng hưởng là không được kích thích và chỉ có điện áp hoạt động hồ quang có thể được nhìn thấy. Nếu phá vỡ hồ quang vì lý do nào, như  gia tăng khoảng cách điện cực, hoặc bằng cách rung tay của người dùng hoặc bằng cách sử dụng quyết định để kết thúc hàn, trở kháng khoảng cách không khí tăng do đó nguồn năng lượng cao bị ức chế bởi vậy dòng và nhiệt độ giảm . Cho phép giả định rằng hiện tượng này có 70μs thời gian sau đó khởi hồ quang sẽ tự động trở về chế độ hoạt động 1 và một điện áp đầu ra cao sẽ một lần nữa được áp dụng để khởi động lại Arc. fig.5 đồ thị cho thấy điều này xảy ra thoáng qua (hình 8). 

Thông số quan trọng của hàn hồ quang khác nhau với những thay đổi trong cộng hưởng điện dung. Sáu tụ khác nhau được áp dụng trong mô phỏng để phân tích hệ thống phản ứng. Đầu ra RMS điện áp so với lựa chọn thay thế tụ điện cộng hưởng được thể hiện trong H 9 Tổng số hồ quang khởi động tiêu hao điện năng so với. lựa chọn thay thế tụ điện cộng hưởng bắt nguồn từ trong hình 10. 

  

Sử dụng các kết quả điện dung lớn hơn trong giảm điện năng tiêu thụ do đó làm tăng trong hiệu quả. Mặt khác, sự lựa chọn này làm giảm điện áp đầu ra do đó Arc starts ở khoảng cách gần hơn dẫn đến ngắn mạch. Khi Cris nhỏ nhất, điện áp đầu ra và tần số tăng và Arc starts ở khoảng cách lớn hơn, kết quả là Arc phóng điện dễ dàng hơn và dẫn đến tiêu thụ điện năng nhiều hơn hay ít hiệu quả.

 

Kết luận

 Một mạch arc starter/arc ổn định mới và đơn giản được đề xuất để tạo thuận lợi cho quá trình hàn hồ quang và phòng ngừa sức hút của điện cực. Mô phỏng và kết quả thực nghiệm xác minh hiệu suất đáng kể của mạch được đề xuất. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm là gần nhau cho thấy các mô hình Arc và mạch thiết kế đã được chấp nhận. Tiêu thụ điện năng của mạch được đề xuất là thấp bởi vì nó là cơ bản một mạch cộng hưởng. Bằng cách sử dụng mạch đề xuất đã dẫn đến giảm tổn thất điện năng đồng biến nên hiệu quả tổng thể của hệ thống đã tăng lên.