Bài giảng Kỹ thuật điện nhiệt - Nguyễn Đình Thiên

a, đèn hải đăng.
	Với tính chất bức xạ cực tím mạnh, dùng như máy phát phát ra tia cực tím.
	Song thực tế không dùng hồ quang làm máy phát tia cực tím vì hiệu suất thấp.
2. Phân loại hồ quang
	Phân loại hồ quang được thực hiện theo một số cách như sau:
a. Hồ quang dạng hở: hồ quang loại này diễn ra trong không khí
b. Hồ quang dạng kín: hồ quang tồn tại trong lớp bảo vệ
c. Hồ quang trong môi trường khí bảo vệ
	Phân loại theo tính chất dòng điện gồm có:
a. Hồ quang dòng một chiều
b. Hồ quang dòng xoay chiều một pha
c. Hồ quang dòng xoay chiều ba pha
	Ưu điểm của hồ quang dòng một chiều là ổn định, chất lượng hồ quang tốt hơn dòng xoay chiều.
	Khi hàn bằng dòng một chiều thường phân thành cực thuận và cực ngược.
	Cực thuận là đưa cực âm của nguồn vào que hàn. Vật hàn được nối với cực dương của nguồn. Do anôt toả ra nhiệt lượng lớn hơn katôt do vậy cần thiết cho nóng chảy phần kim loại bề mặt vật hàn.
	Cực ngược là đưa cực âm của nguồn vào vật hàn, cực dương của nguồn nối với que hàn.
	Sau đây nói tới một số ứng dụng của phương pháp hồ quang trong luyện kim và hàn điện.
§ 3. Các loại lò hồ quang điện sử dụng trong luyện kim
1. Lò điện hồ quang trực tiếp
	Ở hình 1 hồ quang được tạo ra giữa điện cực nối với áp ba pha và trực tiếp với quặng hoặc kim loại.
	Điện cực bằng than, đặt thẳng đứng. Do hồ quang trực tiếp giữa điện cực và quặng cho nên tạo được nhiệt độ rất cao.
	Ưu điểm của loại lò điện trực tiếp là tạo được nhiệt độ cao, năng suất cao.
	Nhược điểm là tạo xỉ nhiều do mòn các điện cực gây nên, nhiệt độ cao làm cháy kim loại nhiều.
Hình 1
1. Điện cực
2. Vỏ lò
3. Hồ quang
4. Quặng
2. Lò điện hồ quang gián tiếp
	Lò này điện cực đặt nằm ngang như hình 2 , cách quặng một khoảng. Hồ quang tạo ra giữa điện cực với nhiệt lượng lớn truyền cho quặng chủ yếu bằng bức xạ. Nhờ đó nhiệt độ đối với quặng không quá cao so với lò trực tiếp, nhờ đó tránh được cháy kim loại và tạo xỉ ít.
	Nhược điểm là do điện cực đặt ngang nên dùng loại điện cực kích thước nhỏ. Bởi vậy công suất của loại lò này không lớn.
Hình 2
1. Điện cực
2. Vỏ lò
3. Hồ quang
4. Quặng
3.Lò điện hồ quang điện trở
	Loại này có ba điện cực nối vào nguồn ba pha được nhúng ngập vào quặng. Hồ quang được tạo thành trong lòng quặng, ngoài ra năng lượng còn được tạo ra khi dòng điện chảy giữa các điện cực.
	Loại lò này có hiệu suất và năng suất cao.
	Các loại lò điện hồ quang chủ yếu được dùng trong lò nấu luyện quặng.
Hình 3.
1. Điện cực
2. Vỏ lò
3. Hồ quang
4. Quặng kim loại
§ 4. Hàn điện bằng hồ quang
1. Ứng dụng: 
	Hồ quang để hàn, rất phổ biến trong sản xuất, xây dựng, sửa chữaBởi vậy ưu điểm về thiết bị không phức tạp, tiết kiệm nguyên vật liệu so với các phương pháp gia công khác, có độ bền cơ học cao, giá thành hạ, năng suất cao
2. Yêu cầu đối với nguồn hàn hồ quang
	Để tạo được hồ quang trong hàn điện nguồn hàn có ý nghĩa quyết định, sau đây đưa ra một số yêu cầu chính đối với nguồn hàn như sau:
a. Yêu cầu trước tiên là nguồn hàn phải đảm bảo được ổn định hồ quang. Muốn vậy điện áp không tải phải đủ lớn để tạo hồ quang. Sau đây là trị số điện áp tạo hồ quang của nguồn một chiều và xoay chiều:
+) Với nguồn một chiều: áp tạo hồ quang U0 min = ( 30 – 55 ) V
Trong đó còn phụ thuộc vào vật liệu của điện cực.
- Với điện cực kim loại: U0 min = ( 30 – 40 ) V
- Với điện cực than: U0 min = ( 45 – 55 ) V
+ )Với nguồn điện xoay chiều: áp tạo hồ quang U0 min = ( 50 – 60 ) V. Trị số giới hạn trên của áp tạo hồ quang xác định dựa vào độ an toàn, thường dao động trong khoảng ( 60 – 70 ) V. Khi máy biến áp hàn, với dòng hàn từ 2000 A trở lên áp cũng không vượt quá 90 V.
b. Để đảm bảo an toàn cho thợ hàn, thiết bị hàn ở chế độ làm việc cũng như ngắn mạch. Bội số dòng ngắn mạch phải thoả mãn: 
	- bộ số dòng ngắn mạch
	I – dòng ngắn mạch (A )
	Iđm – dòng hàn định mức (A) 
c. Nguồn hàn phải cố công suất đủ lớn
d. Nguồn hàn phải có khả năng điều chỉnh điện áp. Khi thực hiện hàn với các đối tượng vật hàn có độ dày, mỏng khác nhau, cần điều chỉnh dòng hàn, que hàn. Dòng hàn phụ thuộc đường kính que hàn theo biểu thức kinh nghiệm sau:
	Ih = ( 40 – 60 ) d
Ih – dòng hàn (A);
d- đường kính que hàn ( mm)
Việc điều chỉnh dòng hàn thực hiện bằng điều chỉnh điện áp nguồn.
e. Đặc tính hàn (đặc tính vôn – ampe ) của thiết bị hàn phải đảm bảo sự ổn định của hồ quang.
	Đặc tính hàn đó là đường biểu diễn quan hệ giữa điện áp trên đầu ra U của nguồn hàn và dòng điện hàn I:
	U = f ( I) – quan hệ này còn gọi là đặc tính ngoài.
	Để đảm bảo ổn định của hồ quang hàn, đặc tính hàn phải dốc. Ví dụ có đặc tính ngoài của nguồn hàn như hình 1. Đó là đường đặc tính dốc.
Hình 1
	Giả sử tại thời điểm a hình q, chạm que hàn (điện cực ) vào vật hàn, sẽ xẩy ra ngắn mạch, dòng ngắn mạch In xuất hiện tương ứng điểm a- dòng lớn làm tại tiếp xúc nóng chảy. Đưa que hàn ra khỏi vật hàn, sẽ xuất hiện hồ quang và điện áp giữa que hàn và vật hàn tăng lên theo đường U = f( I) tại điểm b có hồ quang ổn định. Và dòng điện xác định là định mức Iđm. Khi có sự thay đổi cột hồ quang, do quá trình hàn tạo ra làm có thay đổi áp hồ quang lớn, song nhờ đặc tính dốc nên dòng hàn với sự thay đổi nhỏ đảm bảo hồ quang vẫn duy trì ổn định hình 1.
	Mặt khác khi đặc tính ngoài dốc, bội số dòng điện không lớn đảm bảo được qui định an toàn cho thợ hàn.
	Khi không thực hiện được yêu cầu nguồn hàn phải chịu quá tải lớn, chất lượng hàn kém và không an toàn cho thợ hàn do kim loại cháy nổ. 
	Ngoài đường đặc tính ngoài dốc, còn có đặc tính ngoài cứng và tăng, được dùng để hàn có bảo vệ và trong môi trường có khí bảo vệ, trong hàn tự động.
§ 5. Điều chỉnh dòng điện hàn
	Vật hàn có độ dày khác nhau, với độ dày, mỏng khác nhau dòng điện hàn cần được điều chỉnh hợp lý. Muốn vậy nguồn hàn phải trang bị cơ cấu điều chỉnh theo cấp hoặc điều chỉnh trơn ( vô cấp ) dòng hàn.
	Như đã nói ở trên để tạo được đặc tính hàn (đặc tính ngoài ) dốc, cần có độ rơi điện áp.
	Việc tạo điện áp rơi có thể thực hiện ngay trong khi chế tạo nguồn áp, ví dụ với nguồn áp là máy biến áp, thì cần chế tạo tăng điện áp ngắn mạch hoặc bằng cách mắc thêm điện kháng ( cuộn dây) nối tiếp với nguồn. Trong mọi trường hợp phương trình đặc tính hàn (đặc tính ngoài ) có dạng:
	(1)
U0- điện áp lúc không tải của nguồn
Un - điện áp nguồn khi có dòng hàn
I – dòng điện hàn
Ztđ - tổng trở tương đương, bao gồm tổng trở nguồn và tổng trở của cuộn kháng nối thêm.
	Hình 1 biểu diễn đặc tính hàn khi điều chỉnh dòng hàn bằng cách thay đổi điện áp nguồn không tải U01, U02 , U03 tương ứng với điện áp hàn khi làm việc là U có dòng điều chỉnh I1, I2, I3
Hình 1 	 Hình 2
	Hình 2 điều chỉnh dòng hàn bằng cách thay đổi tổng trở của cuộn kháng nối tiếp với nguồn. Trong tổng trở Ztđ cùng với mỗi thay đổi của Ztđ có đường đặc tính hàn khác nhau và khi ứng với điện áp làm việc U có dòng điện hàn I1, I2, I3.
§ 6. Chế độ làm việc của nguồn hàn và hệ số tiếp điện
	Thiết bị hàn 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 ký hiệu là , thời gian nghỉ ngắn nhất là thời gian đủ thay que hàn và mồi hồ quang kí hiệu là . Với máy hàn tự động thời gian làm việc dài nhất là hàn hết một lô que hàn.
	Máy hàn làm việc ổn định khi thoả mãn điều kiện năng lượng, khi làm việc toả ra Q1 bằng năng lượng toả ra môi trường xung quanh Q2 trong một chu kì làm việc, viết được:
	Q1 = Q2
Với 	- nhiệt lượng toả ra trong thời gian hàn 
	- nhiệt lượng toả ra môi trường trong chu kì làm việc ;
	- thời gian làm việc 
	- thời gian nghỉ
	K- hệ số đặc trưng cho chế độ toả nhiệt của nguồn hàn
Coi gần đúng K = const viết được biểu thức sau:
	(1)
Chia biểu thức (1) cho có:
	(2)
Đặt : gọi là hệ số tiếp điện của nguồn hàn hồ quang
Thường tính vào phần trăm:
	(3)
	TĐ% là thông số ghi trong tài liệu hướng dẫn sử dụng các máy hàn hồ quang.
	Quan hệ giữa dòng điện hàn I và hệ số tiếp điện TĐ% . Từ biểu thức (2) ta suy ra quan hệ giữa dòng điện hàn và hệ số tiếp điện là:
	(4)
Trong đó:
	Iđm – là dòng hàn định mức
	TĐ% đmlà hệ số tiếp điện định mức ứng với Iđm
	I- là dòng điện hàn khác định mức
	TĐ% - là hệ số tiếp điện ứng với dòng hàn I
	Khi máy làm việc dài hạn tức khi giá trị TĐ% = 100%. Từ biểu thức (4) khi máy hàn làm việc khác định mức với hệ số tiếp điện là TĐ% thì dòng hàn phải chọn theo:
	(5)
Và ngược lại khi đưa máy hàn làm việc với dòng điện I khác định mức thì hệ số tiếp điện TĐ% chọn theo :
	(6)
§7. Một số nguồn điện hàn
	Về hàn bằng hồ quang trong thực tế phổ biến một số nguồn hàn như sau:
1. Máy biến áp hàn
2. Tổ động cơ – máy phát một chiều
3. Mạch điện tử công suất
	Máy biến áp hàn hồ quang dùng dòng xoay chiều một pha và ba pha. Với loại máy biến áp hàn một pha là thiết bị hàn dòng xoay chiều, đơn giản, rẻ tiền và rất phổ biến, thông dụng trong sản xuất khi yêu cầu về chất lượng mối hàn không cao lắm.
	Ví dụ hình 1 là sơ đồ máy biến áp hàn một pha đơn giản và phổ biến.
 Hình 1 Hình 2
1. Máy biến áp với sơ cấp W1, thứ cấp W2 nhiều lần
2. Cuộn kháng CK để điều chỉnh
3. Cơ cấu điều chỉnh
4. Que hàn
5. Hồ quang
6. Vật hàn
	Cuộn thứ cấp của máy biến áp hàn có nhiều đầu ra với các điện áp khác nhau tạo nên điều chỉnh điện áp nhiều cấp cho nguồn hàn. Nối thêm cuộn kháng với cơ cấu điều chỉnh 3 để điều chỉnh điện kháng của nó, cho phép thay đổi điện áp hàn, đồng thời tăng tổng trở có thể viết được điện áp thứ cấp theo biểu thức:
Với : U0 – áp thứ cấp
	I – dòng hàn
	Zck - tổng trở cuộn kháng
	Z2 - tổng trở cuộn thứ cấp
Tạo nên được đặc tính dốc cần thiết cho chế độ hàn như hình 2
	Tổ động cơ – máy phát một chiều hàn hồ quàn một chiều cho chất lượng tốt, song hiện nay ít phổ biến do máy hàn hồ quang mạch điện tử công suất phát triển.
	Loại máy hàn dùng mạch điện tử công suất là sự kết hợp giữa máy biến áp và mạch điện tử công suất cho phép có thể hàn bằng dòng một chiều và dòng xoay chiều. Hiện nay rất phổ biến trong kỹ thuật hàn hồ quang, cho chất lượng hàn tốt, năng suất cao, dể sử dụng.Trong hàn MiG, MAG, TiG, dùng trong cơ khí, đóng tàu biển