Материал: Расчет сварочного контура и трансформатора для точечной контактной машины

 Ом

 Ом

Активное сопротивление всех элементов токопровода при t = 20⁰ С:

r_a = r₁ + r₂ + r₃ + r₄ + r₅ + r₆ + r₇ + r₈ = (5,12 + 9 + 7,1 + 3,1 + 2,9 + 3,85 + 2,9 + 1,8) ∙ 10^-6 = = 33,8 ∙ 10^-6 Ом

Активное сопротивление при t = 80⁰ С:

r_t = r_a ∙ [1 + α(t - t_ох)], Ом

где α - температурный коэффициент сопротивления, 1/град

r_t = 33,8 ∙ 10^-6 ∙ [1 + 0,00393(80 - 20)] = 41,77 ∙ 10^-6 Ом

Число переходных контактов:

n = 2 (медь - сталь ),

n = 8 (медь - медь ).

Активное сопротивление одного контакта соответственно:

r_a = 5 ∙ 10^-6 Ом,

r_a = 2 ∙ 10^-6 Ом.

r_н.к. = 2 ∙ 5 ∙ 10^-6 + 8 ∙ 2 ∙ 10^-6 = 26 ∙ 10^-6 Ом

r_в = r_t + r_н.к. = (41,77 + 26) ∙ 10^-6 = 67,77 ∙ 10^-6 Ом

Принимаем r_в = 68 ∙ 10^-6 Ом

Индуктивное сопротивление вторичного контура контактной машины при частоте тока 50 Гц можно определить по площади, охватываемой осями элементов контура S_в, см²:

Х_в = S_в^0,73 ∙ 10^-6, Ом

) Х_в1 = 3,2^0,73 ∙ 10^-6 = 2,33 ∙ 10^-6 Ом

) Х_в2 = 8^0,73 ∙ 10^-6 = 4,56 ∙ 10^-6 Ом

) Х_в3 = 53^0,73 ∙ 10^-6 = 18,14 ∙ 10^-6 Ом

) Х_в4 = 73^0,73 ∙ 10^-6 = 53,29 ∙ 10^-6 Ом

,6) Х_в5,6 = 40^0,73 ∙ 10^-6 = 29,2 ∙ 10^-6 Ом

Х_в = Х_в1 + Х_в2 + Х_в3 + Х_в4 + Х_в5 + Х_в6 = (2,33 + 4,56 + 18,14 + 53,29 + 29,2 + 29,2)∙ ∙ 10^-6 = 136,72 ∙ 10^-6 Ом

Полное сопротивление вторичного контура:

, Ом

Задаем r_т = 12 ∙ 10^-6 Ом,

Х_т = 7 ∙ 10^-6 Ом,

r_ээ = 90 ∙ 10^-6 Ом.

, Ом

сварочный контур трансформатор ток

3       Расчет трансформатора контактной машины

.1 Исходные данные для расчета

Для расчета трансформатора необходимы следующие исходные данные:

номинальный длительный вторичный ток,

режим работы ПВ,

напряжение питающей сети,

частота тока,

число ступеней регулирования вторичного напряжения N,

вторичное напряжение на номинальной ступени,

пределы регулирования вторичного напряжения.

Из всего вышеперечисленного неизвестным является U_20ном.

U_20ном = I_2н ∙ Z_м, В

U_20ном = 36357 ∙ 246 ∙ 10^-6 = 8,9 В

U_20max = 1,2 ∙ U₂₀ = 1,2 ∙ 8,9 = 10,7 В

U_20min = U_20max/К_р = 10,68/2 = 5,3 В

Таким образом, имеем следующие исходные данные для расчета трансформатора:

I_2дл.н = 16000 А,

ПВ = 20 %,

U₁ = 380 В,

F = 50 Гц,

N = 4 ст.,

U_20ном = 8,9 В

U_20max = 10,7 B,

U_20min = 5,3 B,

Трансформатор броневого типа,

Сердечник шихтованный,

Материал обмоток - медь,

Охлаждение обмоток первичной и вторичной - водяное.

3.2 Схема первичной обмотки трансформатора

Настройку контактной машины на режим по току (т.е. выбор ступени) осуществляют изменением числа витков первичной обмотки с помощью переключателя ступеней трансформатора.

Первичная обмотка делится на секции. Выводы от секций подключают к переключателю ступеней. В переключателе с помощью перемычек, ножей или рукояток осуществляют различные комбинации соединения секций для получения требуемого напряжения U_20i и коэффициента трансформации K_i.

Схема первичной обмотки будет выглядеть следующим образом:

Рис.2. Схема регулирования вторичного напряжения

Схема позволяет регулировать U₂₀ не отключением отдельных секций первичной обмотки, а путем переключения половинок секций на параллельную работу. При этом все витки первичной обмотки остаются включенными в сеть на всех ступенях регулирования. Это позволяет сохранить симметрию потоков рассеяния трансформатора на любой ступени и постоянство индуктивного сопротивления.

Реализация данной схемы осуществляется при условии:

каждая секция состоит из двух одинаковых частей;

число витков в секциях находится в соотношении 1 : 2 : 4, т.е. происходит удвоение;

число секций первичной обмотки соответствует числу переключателей ступеней;

секции между собой всегда включены последовательно;

число ступеней регулирования N = 2^с, где с - число секций. Здесь N = 4, c = 2.

Принимаем число витков W₂ = 1, тогда

 витка,

 виток

Пусть число витков одной части первой секции равно n. Тогда число витков второй секции будет 2n. Итого получается 3n. Эти 3n должны составлять 36 виток. Таким образом, число витков одной части первой секции:

 витков.

Число витков одной части второй секции:

 витка

Составляем таблицу.

Таблица 1

3.3 Расчет токов

Первичные токи по ступеням определяются:

, А,

где k₀ = 1,05...1,07 - коэффициент, учитывающий влияние тока холостого хода;

k_N-1 - коэффициент трансформации для номинальной ступени;

Отсюда:

 А

Для других ступеней:

, А

Отсюда:

 А

 А

 А

Результаты сводим в табл.1.

3.4 Расчет сечений обмоток

Полное сечение вторичной обмотки определяется:

, мм²,

где W₂ - число витков вторичной обмотки;

j₂ - допустимая плотность тока во вторичной обмотке, А/мм²;

j₂ = 10-15 А/мм² [5]

 мм²

Заполняем табл.2

Таблица 2

Сечение проводов каждой секции определяем по формуле:

, мм²,

где j₁ = 8 - 10 А/мм²

Отсюда:

 мм²

 мм²

Зная количество витков в каждой секции, определим суммарное сечение витков по секциям:

, мм²

 мм²

 мм

Суммируя значения сечений витков по секциям, получим полное сечение первичной обмотки:

мм²

мм²

.5 Расчет сердечника магнитопровода

Сердечник магнитопровода рассчитывается для номинальной ступени.

Определяем предварительное активное сечение стали сердечника по формуле:

, мм²,

где В - индукция в стали, Тл; В = 1,2 Тл

 мм²

Определяем полное сечение сердечника с учетом коэффициента заполнения сталью сердечника К₃ = 0,93...0,95. Принимаем К_з = 0,93.

, м²

 м²

Исходя из выражения S = b_c х h_c и рекомендуемого соотношения сторон b_с : h_c = 1 : 2, определим ширину и высоту сердечника:

м

м

Принимаем h_с = 0,26 м.

Число листов стали в пакете сердечника определяют:

Здесь б_ж - толщина листа стали без изоляции.

Определяем предварительное значение площади окна:

мм²

Здесь К_30­ - коэффициент заполнения окна проводом обмоток.

К₃₀ = 0,3...0,5

По [5] и полученным данным находим наиболее подходящий сердечник (рис.3):

Рис.3 Сердечник магнитопровода

Уточняем индукцию:

Условие выполняется.

3.6 Определение размеров катушек

Толщина изолированного провода витка дисковой катушки:

, мм,

где δ_пр - толщина изолирующей прокладки между витками;

(8 ÷ 10) мм - величина двух зазоров между катушкой, стержнем и ярмом;

мм - увеличение радиального размера катушки за счет изоляции.

 мм

а_из1 = а_из2 = 2,6 мм

Толщину голого провода а определяем из равенства:

а₁ = а₂ = а_из - δ_из, мм

где δ_из - толщина изоляции провода с двух сторон

δ_из = 0,46 мм [5]

а₁ = а₂ = 2,6 - 0,46 = 2,14 мм

Определим размеры голого провода по q = 31 мм² и а = 2,14 мм

По ГОСТ 434-71 находим:

а = 2,14 мм

b = 14 мм

Радиальный размер катушки:

А₁ = А₂ = W_к · (а_из + δ_пр) + 2 + 3 + 2, мм

где 2 мм - толщина двух изоляционных прокладок внутренней и наружной;

мм - толщина наружной изоляции с двух сторон катушки, в которой учитывается зазор между слоями изоляции и ее разбухание после пропитки;

мм - увеличение радиального размера катушки после снятия ее с оправки

А₁ = А₂ = 36 · (2,6 + 0,17) + 7 = 106,72 мм

Внутренний размер катушки по ширине:

Б_к = b_с + Ж, мм

где b_с - ширина стержня, на который надевается катушка, мм;

Ж - двухсторонний зазор между катушкой и стержнем

Ж = 10 … 15 мм

Б_к = 230 + 10 = 240 мм

Внутренний размер катушки по длине:

В_к = h_c + Г, мм

где h_c - толщина пакета, мм

r - зазор, который принимается равным 10 … 26 мм

В_к = 490 + 10 = 500 мм

Внутренний радиус закругления катушки принимается равным R = 15 мм

Сечение выводов катушек определяется:

q_в = I_1max / j_1в, мм²,

где j_1в - допустимая плотность тока в выводах

j_1в = 5 … 6 А/мм²

q_в = 350 / 6 = 117 мм²

Ширину вывода принимаем В_в = 20 мм, толщину вывода а_в = 2 мм.

Определим размеры вторичного витка. Сечение каждого диска:

q_д = q₂ / n_д, мм²,

где n_д - число дисков вторичного диска.

q_д = 3200 / 2 = 1600 мм²

Радиальный размер диска, находящийся в зоне окна сердечника определяется:

, мм,

где  - зазор между диском и стержнем с одной стороны, мм

Н - зазор между диском и ярмом с одной стороны

Н = 4 … 5 мм

 мм

Аксимальный размер диска по ширине:

b_д = q₂ / а_д, мм

b_д = 3200 / 99 = 31 мм

Внутренний размер диска по ширине:

Л = b_с + (Ж - 6), мм

Л = 230 + (10 - 6) = 234 мм

По длине:

Р = h_с + (Г - 6), мм

Р = 490 + (10 - 6) = 494 мм

Размеры радиусов диска принимаем:

внутренний радиус R_вн =10 мм;

внешний радиус R = 50 мм

Определяются размеры контактной плиты трансформатора. Толщина контактной плиты принимается равной 30 мм с диаметром охлаждающих каналов 8 мм. Сечение контактной плиты:

q_пл = I_2max / j_пл, мм²,

где j_пл - допустимая плотность тока, принимается 3 … 4 А/мм² при охлаждении водой.

q_пл = 311 / 4 = 78 мм²

Далее определяется высота пакета обмоток. Суммарная высота пакета обмоток Н_п в окне трансформатора определяется по формуле:

Н_п = 2n_дb_k + n_дb_д + 2n_дΔ₁₂ + δ₁₂(n_д - 1), мм,

где Δ₁₂ - толщина изоляционных прокладок между дисками первичной обмотки и вторичного витка, равная 1 мм; δ₁₂ - расстояние между катушечными группами, берется равным 6 … 15 мм

Н_п = 2·2·5 + 2·31 + 2·2·1 + 6·(2 - 1) = 92 мм

Уточняем возможность размещения пакета обмоток в окне трансформатора и изоляции его от ярма по условию:

Н_п + (6 ÷ 12) ≤ h₀

+ 6 = 98 < 100

Условие выполняется.

4. Поверочный расчет трансформатора

.1 Определение массы активных материалов

Он выполняется с целью определения фактических сопротивлений обмоток трансформатора, тока холостого хода, потерь электроэнергии и КПД трансформатора.

Массу сердечника трансформатора определяют в общем виде:

G_с = γ_с · ΣV_c, кг,

где γ_с - плотность электротехнической стали, г/см³;

ΣV_c - суммарный объем магнитопровода, см³. для трансформаторов броневого типа:

ΣV_c = h_c·(Hl - 2h₀b₀)·K₃, см³

ΣV_c = 49·(33·69 - 2·11,5·10)·0,93 = 93282 см³

G_с = 7,55·93282 = 704 кг

Масса провода катушек первичной обмотки подсчитывается:

G_1общ = n_к1·G_к1+ n_к2·G_к2 … , кг

где n_к1, n_к2 - число катушек из одинакового провода;

G_к1,G_к2 - масса катушек из одинакового провода, кг

Масса отдельной катушки подсчитывается по формуле:

G_кi = kγ_пW_кi l_ср.к.q_1(i), кг

где k - коэффициент, учитывающий увеличение массы провода за счет изоляции.

k = 1,03 … 1,08;

γ_п - плотность материала провода, г/см³;

W_кi - число витков в катушке;

l_ср.к.- средняя длина витка, м;

q_1(i) - сечение одного витка катушки, мм²

, м

, м

G_к1 =1,03·8,9·36·210·0,35 = 24,3 кг

G_к2 =1,03·8,9·36·210·0,31 = 21,5 кг

G_1общ = 2·24,3+2·21,5 = 91,6 кг

Масса дисков вторичного витка приближенно подсчитывается по формуле:

G₂ = n_дγ_пW_кi l_ср.д.q_д, кг

где l_ср.д - средняя длина диска, для упрощения принимаем l_ср.д= l_ср.к

G₂ = 2·8,9·210·16 = 59,8 кг

Суммарная масса трансформатора:

G_тр= G_с +G_1общ +G₂, кг

G_тр= 704+91,6+59,8=855,4 кг

4.2 Расчет тока холостого хода

Магнитные потери в стали трансформатора определяют по формуле:

P₀ = k_д ·Р_с ·G_с, Вт

где Р_с - удельные потери в стали магнитопровода. Принимают по табл. 4-4[5];

k_д - коэффициент добавочных потерь. Обычно рекомендуется k_д = 1,2.

P₀ = 1,1 ·1,5 ·704 = 1267,2 Вт

Ток холостого хода определяется для номинальной ступени по формуле:

, А

где I_оа - активная составляющая тока холостого хода, определяется:

I_oa = P₀/U₁, А

I_ор - реактивная составляющая тока холостого хода, определяется:

, А

где К_г­ - коэффициент, учитывающий наличие высших гармоник в кривой намагничивающего тока. Возьмем из табл. 4-6 [5].

Суммарная МДС:

ΣAW = aw·l_μ+0,8n₃δ₃

где l_μ - средняя длина магнитной линии

, м

 м

ΣAW = 6,5·79,1+0,8·1,2·0,005·10⁴ = 610,15 А

 А

 А

4.3 Определение потерь электроэнергии

Активные сопротивления обмоток.

Сопротивление первичной:

, Ом

где ρ_t - удельное сопротивление материала обмоток при температуре Т;

ρ_t = ρ₀(1+αT)

К_п1, К_п2 - коэффициенты поверхностного эффекта;

К_п = 1+0,09α⁴

l_ср.к, l_ср.д - средняя длина одного витка первичной и вторичной обмоток.

К_п1 = 1+0,09·(2,2·10^-3)⁴ = 1

 Ом

 Ом

R₁ = 0,07+0,08 = 0,15 Ом

Сопротивление вторичной обмотки:

, Ом

К_п2 = 1+0,09·0,000368⁴ = 1

 Ом

Активные потери в первичной обмотке:

P₁ = I²_1дл.н·R₁ = 350²·0,15 = 18375 Вт

Активные потери во вторичной обмотке:

P₂ = I²_2дл.н·R₂ = 1600²·0,000016 = 4096 Вт

Полные потери в обмотках:

Р_м = Р₁+Р₂=18375+4096=22471 Вт

Суммарные потери электроэнергии в трансформаторе:

Р = Р_м+Р₀ = 22471+1267=23738 Вт

4.4 Полное сопротивление трансформатора

Оно определяется по формуле:

,Ом

где R''_тр - активное сопротивление трансформатора, приведенное ко вторичной обмотке. Оно определяется:

R''_тр = R₁/K_ном² + R₂, Ом

где K_ном - коэффициент трансформации на номинальной ступени;

R''_тр = 0,15/64²+0,000016 = 0,000053 Ом

Х''_тр - полное индуктивное сопротивление трансформатора, приведенное ко вторичной обмотке. Определяется:

, Ом

где Х'_тр - индуктивное сопротивление трансформатора, приведенное к первичной обмотке:

, Ом

где Д=А+Б - расстояние между серединами обмоток в окне, см;

Д = 10,672+24 = 34,672 см

δ_s - эквивалентное расстояние между первичной и вторичной обмотками:

, см

где p=n_д - число катушечных групп;

 см

l_s - расчетная длина средней силовой линии:

, см

 см

 Ом

 Ом

Ом

4.5 Коэффициент мощности и КПД трансформатора

Коэффициент мощности для трансформатора:

Коэффициент мощности машины:

КПД трансформатора:

η ≥ 0,9 ... 0,96

5. Проверка принятых вторичных ЭДС

Вторичная ЭДС спроектированного трансформатора для номинальной ступени:

E_2ном ≈ U_20ном = I_2ном·Z_м, В,

где U_20ном = 8,9 В,

I_2ном = 36357 А,

 - полное сопротивление машины на номинальной ступени, Ом

Ом

E_2ном = 36357·2,279·10^-4 = 8,3 В

Отклонение от принятой величины:

Расхождение в пределах ±10% допускается. Поэтому оставляем полученное значение.

Литература

1.     Ильин В.П. Технология и оборудование контактной сварки. Методические указания по выполнению курсового проекта. Ч.1. - Ижевск: ИжГТУ, 1986

2.      Ильин В.П., Грязнов Р.Н. Технология и оборудование контактной сварки. Методические указания по выполнению курсового проекта. - Ч.2. Ижевск: ИжГТУ, 1987

.        ОСТ 92-1115-79. Сварка точечная и шовная контактная.

.        Справочник по электротехническим материалам. В 3-х тт. Под ред. Корицкого Ю.В. - Л.: Энергия, 1976

.        Рыськова З.А. Трансформаторы для электрической контактной сварки. Л., «Энергия», 1975

.        Глебов Л.В. и др. расчет и конструирование машин контактной сварки. - Л.: Энергоиздат, 1981

.        Сергеев Н.П. Справочник молодого сварщика на контактных машинах. - М.: Высш. Школа, 1979