Главная Учебники - Разные Лекции (разные) - часть 52
Министерство образование Российской Федерации Санкт-Петербургский институт машиностроения (ЛМЗ-ВТУЗ) Кафедра «Технология и оборудование сварочного производства» по теме: Расчёт сварочного выпрямителя, предназначенного для однопостовой механизированной сварки плавящимся электродом в среде углекислого газа и под флюсом деталей из низкоуглеродистых и низколегированных сталей Выполнил: Ст.гр.№5303 Ковальков А. Е. Проверила: Приёмышева Г. А. Санкт-Петербург 2010 Uс
380 Ud
н
50 ПН% 60 9.Кострукционные особенности: а) материал магнитопровода б) материал обмоток трансформатора Сталь 3413 Алюминиевые провода Выбор осуществляется из четырёх самых распространённых схем выпрямления: - Трёхфазная мостовая схема - Шестифазная с нулевой точкой - Схема с уравнительным реактором - Кольцевая схема Учитывая исходные данные, выбираем шестифазную схему выпрямления с уравнительным реактором, получившей широкое применение при сварке в углекислом газе. Схема обладает хорошим использованием вентилей и небольшой расчётной мощностью трансформатора. Рисунок 1. «Схема выпрямления с уравнительным реактором» В этой схеме трансформатор имеет одну первичную обмотку, соединённую в треугольник, и две группы вторичных обмоток, каждая из которых соединена в звезду, причём в первой группе нулевая точка образована концами обмоток, а во второй группе - началами обмоток. Таким образом, фазные напряжения смещены дуг относительно друга на 180 ̊. В результате имеем два трёхфазных выпрямителя, работающих параллельно через уравнительный реактор на общую нагрузку. Основные параметры выпрямителя
1) Ориентировочное значение напряжения холостого хода выпрямителя: Udxx
=(1,4÷1,8)∙Ud
н
=(1,4÷1,8)∙50=70÷90(В) Ud
н
– номинальное выпрямленное напряжение Принимаем Udxx
=80(В) 2) Длительно допустимый по нагреву ток выпрямителя: Id
дл
=Id
н
∙ Id
н
– номинальный выпрямленный ток ПН - продолжительность нагрузки По выбранной схеме выпрямления и схеме соединения первичной обмотки в треугольник рассчитываем: 1.1. Вторичное фазное напряжение: U2ф
= 1.2. Реальное значение напряжения холостого хода выпрямителя: Udxx
0
=1,35∙ U2ф
=1,35∙68,4=92,3 (В) 1.3. Действующее значение тока вторичных обмоток трансформатора: I2ф
= Id
н
∙0,289=500∙0,289=144,5 (А) выпрямитель катушка трансформатор сварочный 1.4. Расчётное значение тока вторичных обмоток: I2ф расч.
=I2ф
∙ 1.5. Коэффициент трансформации: При соединении первичной обмотки в треугольник Кт
= 1.6. Действующее значение фазного тока первичной обмотки: I1ф
=0,41∙ I1ф
=36,87∙1,05=38,7 (А) 1,05-коэффициент, учитывающий влияние тока холостого хода на номинальный первичный ток 1.7. Расчётное значение тока первичных обмоток: I1ф расч.
=I1ф
∙ 1.8. Значение номинальной отдаваемой (выпрямленной) мощности выпрямителя: Pd
н
=Id
н
∙ Ud
н
=500∙50=25000 (Вт)=25 (кВт) 1.9. Значение потребляемой мощности: При соединении первичной обмотки в треугольник Pсети
=Uc
∙I1ф
∙3∙10-3
=380∙38,7∙3∙10-3
=44,1 (кВА) 2.1. Значение ЭДС, приходящейся на один виток: e0
=(0,08÷0,045)∙Pсети расч.
Pсети расч.
=Pсети
∙ e0
=(0,08÷0,045)∙34,2=2,736÷1,539 Принимаю e0
=2,7 (В/виток) 2.2. Предварительное число витков вторичной обмотки: W2
’
= 2.3. Предварительное число витков первичной обмотки: W1
’
= U1ф
=Uc
– при соединении первичной обмотки в треугольник W1
’
= 2.4. Окончательное число витков первичной и вторичной обмоток: Принимаем окончательное число витков вторичной обмотки W2
=28. Тогда окончательное значение ЭДС на один виток: e0
= Окончательное число витков первичной обмотки: W1
= Принимаем W1
=156. 2.5. Предварительная плотность тока в обмотках трансформатора: J1
’
=1,5 (А/мм2
) - в первичной J2
’
=2,35 (А/мм2
) - во вторичной 2.6. Предварительные сечения проводов обмотки: q1
’
= q2
’
= 2.7. Активное сечение стали магнитопровода: Предварительное активное сечение: Sa
’
=e0
∙104
/4,44∙f0
∙В’
f0
– частота питающей сети; В’
– предварительное значение магнитной индукции; Для холоднокатаной анизотропной стали марки 3413 В’
Sa
’
=2,44∙104
/4,44∙50∙1,65=66,6 (см2
) 2.8. Полное сечение магнитопровода: Предварительное полное сечение: Sст
’
=Sa
’
/Кс
Кс
– коэффициент заполнения стали, Кс
=0,95 Sст
’
=66,6/0,95=70,1 (см2
) 2.9. Определение ширины пластины магнитопровода: Учитывая мощность выпрямителя, выберем рекомендуемую ширину bст
=82 (мм) 2.10. Предварительная толщина набора магнитопровода: lст
’
=Sc
т
’
∙102
/bст
=70,1∙102
/82=85,5 (мм) Окончательную толщину набора принимаем lст
=86 (мм) Окончательное сечение магнитопровода: Sст
=lст
∙bст
/100=86∙82/100=70,5 (см2
) Окончательное активное сечение магнитопровода: Sa
=Sст
∙Кс
=70,5∙0,95=67 (см2
) Окончательная магнитная индукция: В=e0
∙104
/4,44∙f∙Sa
=2,44∙104
/4,44∙50∙67=1,64 (Тл) 2.11. Суммарная площадь обмоток, которые необходимо разместить в окне: Q=Q1
+Q2
Q1
– площадь первичной обмотки Q1
=q1
’
∙W1
=20∙156=3120 (мм2
) Q2
– площадь двух вторичных обмоток Q2
=2∙q2
’
∙W2
=2∙49∙28=2744 (мм2
) Q=Q1
+Q2
=3120+2744=5864 (мм2
) 2.13. Площадь окна магнитопровода: Sок
=2∙Q/Кзо
Кзо
– коэффициент заполнения окна, Кзо
=0,45 Sок
=2∙5864/0,45=26062 (мм2
) 3.1. Ширина окна: b0
=(1,1÷1,5)∙bст
bc
т
– ширина стержня b0
=(1,1÷1,5)∙82=90,2÷123 (см) Принимаю b0
=112 (мм). 3.2. Высота окна магнитопровода: h0
=Sок
/b0
=26062/112=233 (мм) 3.3. Длина пластин (1го
,2го
и 3го
вида): l1
=h0
+bст
=233+82=315 (мм) l2
=2b0
+bст
=2∙112+82=306 (мм) l3
=b0
+bст
=112+82=194 (мм) Количество листов каждого типа: n1
=lст
∙0,95∙3/0,5=86∙0,95∙3/0,5=490 (шт), n2
= lст
∙0,95∙/0,5=163 (шт), n3
= lст
∙0,95∙2/0,5=327 (шт) lст
– толщина набора магнитопровода 0,95 – коэффициент заполнения стали (Кс
) 3.4. Масса стали магнитопровода: Gc
=[(h0
+2bст
)∙(2b0
+3bст
)-2h0
∙b0
]∙lст
∙0,95∙γ∙10-3
γ-плотность электротехнической стали 3413, γ=7,65 (г/см3
) Gc
=[(23,3+2∙8,2)∙(2∙11,2+3∙8,2)-2∙23,3∙11,2]∙8,6∙0,95∙7,65∙10-3
=84 (кг) 3.5. Потери в стали магнитопровода: Pc
=К0
∙Gc
∙p0
∙Кур
К0
– коэффициент, учитывающий добавочные потери в стали за счёт изменения структуры листов при их механической обработке, К0
=1,2. Кур
– коэффициент увеличения потерь для анизотропных сталей, являющейся функцией геометрических размеров магнитопровода. В зависимости от величины 3h0
+4b0
/bст
=3∙23,3+4∙11,2/8,2=14 -получаем Кур
=1,15. p0
–удельные потери в 1 кг стали марки 3413 при индукции В=1,64 (Тл) равняются p0
=2,3 (Вт/кг) Pc
=1,2∙84∙2,3∙1,15=267 (Вт) 3.6. Абсолютное значение тока холостого хода: Iоа
– активная составляющая тока холостого хода, обусловленная потерями холостого хода Pc
Iор
– реактивная составляющая тока холостого хода, необходимая для создания магнитного потока Iоа
=Pc
/3Uc
Pc
– потери в стали магнитопровода Uc
– номинальное напряжение питающей сети Iоа
=267/3∙380=0,2 (А) Iор
=[Hc
∙lм
+0,8∙В∙nз
∙δз
∙104
/√2∙W1
∙Кr
]∙Кухх
Hc
– напряжённость магнитного поля, соответствующая индукции В=1,64 (Тл). Для анизотропной стали 3413 Hc
=8,2 (А/см); lм
– средняя длина магнитной силовой линии (см); В – магнитная индукция (Тл); nз
– число немагнитных зазоров на пути магнитного потока ; δз
– условная длина воздушного зазора в стыке равная 0,005 (см) в случае штампованных листов при сборке магнитопровода внахлёстку; Кr
– коэффициент высших гармонических. Ориентировочно для стали 3413 при индукции В=1,64 (Тл) Кr
=1,1; Кухх
– коэффициент увеличения тока холостого хода. Этот коэффициент является функцией геометрических размеров магнитопровода и магнитной индукции. При соотношении (h0
+2b0
)/bст
+1=((23,3+2∙11,2)/8,2)+1=6,57 - получаем Кухх
=2,5. Поскольку трёхстержневой магнитопровод является несимметричным, т.е. имеет разные пути для магнитного потока крайних и средней фазы, то необходимо посчитать средние длины магнитной силовой линии отдельно для крайней и средней фазы. Длина средней линии магнитного потока для крайней фазы: lм к.ф.
=h0
+2b0
+bст
+π∙ bст
/2=23,3+2∙11,2+8,2+3,14∙8,2/2=66,8 (см) Длина средней линии магнитного потока для средней фазы: lм ср.ф.
=h0
+bст
=23,3+8,2=31,5 (см) Число немагнитных зазоров на пути потока для крайней фазы nз
=3, для средней фазы nз
=1. Реактивная составляющая тока холостого хода для крайней фазы: Iор к.ф.
=[(Hc
∙ lм к.ф.
+,8∙В∙3∙0,005∙104
)/√2∙W1
∙Кr
]∙Кухх
Iор к.ф.
=[(8,2∙66,8+0,8∙1,64∙3∙0,005∙104
)/√2∙156∙1,1]∙2,5=7,7 (А) Реактивная составляющая тока холостого хода для средней фазы: Iор ср.ф.
=[(Hc
∙ lм ср.ф.
+0,8∙В∙1∙0,005∙104
)/√2∙W1
∙Кr
]∙Кухх
Iор ср.ф.
=[(8,2∙31,5+0,8∙1,64∙1∙0,005∙104
)√2∙156∙1,1]∙2,5=3,3 (А) Среднее значение реактивной составляющей тока холостого хода: Iор
=(2∙Iор к.ф.
+ Iор ср.ф.
) /3=(2∙7,7+3,3)/3=6,2 (А) Абсолютное значение тока холостого хода: Ток холостого хода в процентах от номинального первичного тока: i=(I0
/I1ф
)∙100%=(6,2/38,7)∙100%=16% 4.1. Выбор обмоточных проводов: По предварительно рассчитанным значениям сечений проводов выбираем ближайшие из стандартного ряда: q1
=21,12(мм2
) q2
=69,14 (мм2
) Провод обмоточный алюминиевый нагревостойкий прямоугольного сечения: Масса 1000 м провода, кг Уточнённые значения плотности тока: J1
=I1ф расч.
/q1
=29,98/21,12=1,4 (А/мм2
) J2
=I2ф расч.
/q2
=111,9/69,14=1,6 (А/мм2
) 4.2. Высота цилиндрической обмотки: hобм
=h0
- 2∙∆я
∆я
– зазор между торцевой поверхностью обмотки и ярмом магнитопровода, равный 5 (мм); h0
– высота окна магнитопровод hобм
=233-2∙5=223 (мм) 4.3. Число витков в слое: Первичной обмотки Wc
1
=(hобм
/bиз.1
) – 1=(223/10,4)-1=20,4- принимаем Wc
1
=20 Вторичной обмотки Wc
2
=(hобм
/bиз.2
) – 1=(223/14,48)-1=14,4– принимаем Wc
2
=14 4.4 Число слоёв: Первичной обмотки nc
1
=W1
/Wc
1
=156/2=7,8 - принимаем nc
1
=8 Вторичной обмотки nc
2
=W2
/Wc
2
=28/14=2 4.5. Радиальные размеры (толщина) первичной и вторичной обмоток, выполненных из изолированного провода: δ1
=nc
1
∙nпар1
∙аиз1
+(nc
1
-1)∙∆вит
δ2
=nc
2
∙nпар2
∙аиз2
+(nc
2
-1)∙∆вит
nпар1
,nпар2
– число параллельных проводов первичной и вторичной обмоток; аиз1
,аиз2
– размер проводов по ширине с изоляцией; nc
1
, nc
2
– число слоёв первичной и вторичной обмоток; ∆вит
– межслоевая изоляция для изолированных проводов, ∆вит
=0,15 δ1
=8∙1∙2,6+(8-1)∙0,15=22 (мм) δ2
=2∙1∙5,52+(2-1)∙0,15=11 (мм) 4.6. Радиальный размер катушки трансформатора: δ=δ1
+δ2
+δ12
+∆т
∆т
– технологические зазоры, связанные с отступлением сторон катушки от парралельности, с неплотностью намотки, ∆т
=4 (мм); δ12
– расстояние между первичной и вторичной обмотками, δ12
=0,16 (мм) δ=22+11+3∙0,16+4=37 (мм) 4.7. Внутренний размер катушки по ширине: А=bст
+∆ш
∆ш
– двухсторонний зазор по ширине между катушкой и стержнем, ∆ш
=12 (мм) А=82+12=94 (мм) 4.8. Внутренний размер катушки по длине: Б=lст
+∆дл
lст
– длина пакета магнитопровода ∆дл
– двухсторонний зазор по длине между катушкой и стержнем, ∆дл
=30 (мм) Б=86+30=116 (мм) 4.9. Средние длины витков: Средняя длина витка первичной обмотки lср1
=2(А-2R)+2(Б-2R)+2∙π∙(R+δ1
/2) R-радиус скругления проводов при переходе с одной стороны на другую при намотке, R=10 (мм) lср1
=2(94-2∙10)+2(116-2∙10)+2∙3,14∙(10+22/2)=471 (мм) Средняя длина витка вторичной обмотки lср2
=2(А-2R)+2(Б-2R)+2∙π∙(R+δ1
+δ12
+δ2
/2) lср2
=2(94-2∙10)+2(116-2∙10)+2∙3,14∙(10+22+0,16+11/2)=576 (мм) После определения всех размеров выполним эскиз катушки: Рисунок 2. « Катушка трансформатора с первичной и вторичной обмотками из изолированного провода» 4.10. Расстояние между катушками соседних стержней: ∆кат
=bо
-∆ш
-2δ ∆кат
=112-12-2∙37=25 (мм) После уточнения всех размеров выполним эскиз трансформатора: Рисунок 3. «Эскиз трансформатора» 4.11. Масса проводов катушки: Масса провода первичной обмотки одной фазы трансформатора G1
=Ky
∙g1
∙W1
∙lср1
g1
– масса одного метра провода первичной обмотки, g1
=0,06 (кг); lср1
– средняя длина витка первичной обмотки (м); Ку
– коэффициент, предусматривающий увеличение массы провода за счёт технологических погрешностей,Ку
=1,05. G1
=1,05∙0,06∙156∙0,471=4,6 (кг) Масса провода вторичной обмотки G2
=Кy
∙g2
∙2W2
∙lср2
g2
– масса одного метра провода вторичной обмотки, g2
=0,2 (кг) lср2
– средняя длина витка вторичной обмотки (м) G2
=1,05∙0,2∙2∙28∙0,576=6,8 (кг) Общая масса провода трансформатора Gпр
=3(G1
+G2
)=3∙(4,6+6,8)=34,2 (кг) 4.12. Сопротивления обмоток трансформатора: r1
=KF
∙r0 (1)
r2
=КF
∙r0 (2)
r0 (1)
, r0 (2)
– омическое сопротивление первичной и вторичной обмоток в холодном состоянии при 20 о
С; КF
– коэффициент Фильда, который учитывает добавочные потери в обмотках, КF
=1,04 r0 (1)
=ρ∙lср1
∙W1
/q1
r0 (2)
= ρ∙lср2
∙W2
/q2
ρ- удельное электрическое сопротивление материала провода катушки, (для алюминиевого провода при 20 о
С ρ=0,0282(Ом∙мм2
/м)) lср1
,lср2
– средние длины витков провода первичной и вторичной обмоток (м) r0 (1)
=0,0282∙0,471∙156/21,12=0,1 (Ом) r0 (2)
=0,0282∙0,576 ∙28/69,14=0,007 (Ом) r1
=1,04∙0,1=0,062 (Ом) r2
=1,04∙0,007=0,0073 (Ом) Активные сопротивления первичной и вторичной обмоток, отнесённые к расчётной температуре, которая для обмоток класса F составляет 115 о
С: r1
t
=1,38∙r1
=1,38∙0,062=0,1 (Ом) r2
t
=1,38∙r2
=1,38∙0,0073=0,01 (Ом) Активное сопротивление обмоток трансформатора, приведённое к первичной обмотке: rк
=r1
t
+r2
t
∙К2
т
Кт
– коэффициент трансформации rк
=0,1+0,01∙(5,56)2
=0,3 (Ом) Индуктивное сопротивление: Xк
=7,9∙10-8
∙fc
∙W2
1
∙lср
∙δs
/ ls
fc
– частота питающей сети; δs
– ширина приведённого канала рассеяния (см) δs
=δ12
+((δ1
+δ2
)/3)=0,016+((2,2+1,1)/3)=1,1 (см) ls
– длина силовой линии (см) ls
=ho
/0,95=23,3/0,95=24,5 (см) lср
– средняя длина витка обмоток (см) lср
=(lср1
+lср2
) /2=(47,1+57,6)/2=52,4 (см) xк
=7,9∙10 -8
∙50∙(156)2
∙52,4∙1,1/24,5=0,23 (Ом) Полное сопротивление обмоток, приведённое к первичной обмотке: 4.13. Потери в обмотках: В первичных P1
=m1
∙r1
t
∙I2
1ф
Во вторичных P2
=m2
∙r2
t
∙I2
2ф
m1
– количество первичных обмоток, m1
=3; m2
– количество вторичных обмоток (для схемы с уравнительным реактором m2
=6); r1
t
, r2
t
– активные сопротивления первичной и вторичной обмоток, отнесённые к расчётной температуре P1
=3∙ 0,1∙(38,7)2
=629 (Вт) P2
=6∙0,01∙(144,5)2
=1253 (Вт) 4.14. Напряжение короткого замыкания: Активная составляющая напряжения короткого замыкания Uа
=I1ф
∙rк
=38,7∙0,3=11,6 (В) Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания Uр
=I1ф
∙xк
=38,7∙0,23=8,9 (В) Напряжение короткого замыкания в процентах от первичного напряжения: Uк%
=Uк
∙100/U1ф
=14,6∙100/380=3,8 % 1.1. Среднее, действующее и максимальное значения тока тиристора в зависимости от номинального выпрямленного тока: Iв.ср.
=Id
н
∙0,166=500∙0,166=83 (А) Iв
= Id
н
∙0,289=500∙0,289=144,5 (А) Iв мах
= Id
н
∙0,5=500∙0,5=250 (А) 1.2. Максимальное обратное напряжение на тиристоре: Uобр.мах
=Ud
хх
∙2,09=80∙2,09=167,2 (В) Выбираем тиристор и охладитель: Тиристор-Т161-160 Охладитель-О171-80 Основные параметры тиристора и охладителя: · Пороговое напряжение Uпор
=1,15 (В) · Среднее динамическое сопротивление rдин
=1,4 (мОм) · Максимально допустимая температура перехода Tп.м.
=125°С · Тепловое сопротивление переход-корпус Rт(п-к)
=0,15 (°С/Вт) · Тепловое сопротивление контакта корпус-охладитель Rт(к-о)
=0,05 (°С/Вт) · Тепловое сопротивление охладитель-среда Rт(о-с)
=0,355 (°С/Вт) 1.3. Максимальный допустимый средний ток вентиля в установившемся режиме работы и заданных условиях охлаждения: Iос.ср.
= [√ (U2
пор
+4∙К2
ф
∙rдин
∙10-3
∙(Tп.м.
-Tc
)/Rт(п-с)
) -Uпор
]/2∙К2
ф
∙rдин
∙10-3
Кф
– коэффициент формы тока, Кф
=1,73 Тс
– температура охлаждающего воздуха, Тс
=40 °
С Rт(п-с)
– тепловое сопротивление переход-среда Rт(п-с)
= Rт(п-к)
+ Rт(к-о)
+ Rт(о-с)
=0,15+0,05+0,355=0,555 (°С/Вт) Iос.ср.
= [√((1,15)2
+4∙(1,73)2
∙1,4∙10-3
∙(125-40)/0,555)-1,15]/2∙(1,73)2
∙1,4∙10-3
= =97,9 (А) 1.4. Мощность, рассеиваемая на вентиле: Pв
=К∙(Uпор
∙Iв.ср.
+rдин
∙10-3
∙I2
в
) К – коэффициент, учитывающий наличие добавочных потерь в вентиле, К=1,05÷1,1 Pв
=1,05∙(1,15∙83+1,4∙10-3
∙(144,5)2
)=131 (Вт) 1.5. Температура нагрева перехода: Tп
=Rт(п-с)
∙Pв
+Tc
Tc
– температура охлаждающего воздуха, Tc
=40 ̊С Rт(п-с)
– тепловое сопротивление переход-среда Tп
=0,555∙131+40=113 ̊С 1.6. Класс тиристора: Uповт.
=0,8∙Uобр.мах
Uповт.
- повторяющееся напряжение, определяющее класс вентиля Uповт.
=0,8∙167,2=133,8 (В) Принимаю Uповт.
=200 (В). Учитывая возможные перенапряжения, окончательный класс тиристора принимаю равный 4. Условное обозначение выбранного тиристора: Т161-160-4-12УХЛ2 Коэффициент полезного действия выпрямителя при номинальной нагрузке: η=Pd
н
/Pd
н
+ΣP Pd
н
– отдаваемая (выпрямленная) номинальная мощность ΣP – суммарные активные потери в схеме выпрямления, которые можно разбить на следующие составные части: 1. Потери в вентилях: ΣPв
=mв
∙ Pв
mв
– количество вентилей в схеме выпрямления Pв
– мощность, рассеиваемая на одном вентиле ΣPв
=6∙130,9=785,4 (Вт) 2. Потери в силовом выпрямительном трансформаторе: Pтр
=Pc
+P1
+P2
Pc
– потери в стали магнитопровода P1
– потери в первичных обмотках P2
– потери во вторичных обмотках Pтр
=267+629+1253=2,2 (кВт) 3. Потери в сглаживающем дросселе: Pдр
=(2÷3)%Pd
н
=0,6 (кВт) 4. Потери в уравнительном реакторе: Pур
=(1÷2)%Pd
н
=0,375 (кВт) 5. Потери во вспомогательных устройствах (в системе управления, системе охлаждения): Pвсп
=(0,5÷1,5)Pd
н
=0,25 (кВт) 6. Потери в соединительных шинах: Pш
=450 (Вт)=0,45 (кВт) Значение КПД: η=Pd
н
/Pd
н
+Pв
+Pтр
+Pдр
+Pур
+Pвсп
+Pш
η=25 /25+0,785+2,2+0,6+0,375+0,25+0,45=0,84.
|