Электрооборудование промышленности (стр. 10 )

где RН - эквивалентное сопротивление нагрузки (дуговой печи), Ом.

В комплектных выпрямительных полупроводниковых подстанциях (КВПП) применяются преобразовательные трансформаторы типа ТСЗПУ (табл. 4.8). Их сетевые обмотки соединяются звездой, а вентильные – в две обратные звезды с уравнительным реактором. Трансформаторы ТСЗПУ выполняются двух типов: с номинальной мощностью 520кВА и 1054кВА и подключаются к электрической сети 6 и 10кВ.

Общие сведения

Основным узлом современных сварочных агрегатов является специальный трансформатор той или иной конструкции. Трансформатор разделяет сварочную цепь и силовую сеть, понижает напряжение сети до необходимого для сварки значения, обеспечивает самостоятельно или в комплекте с дополнительными устройствами формирование требуемых статических внешних характеристик и регулирование сварочного тока.

Конструкции сварочных трансформаторов весьма разнообразны. В зависимости от способа регулирования тока их можно подразделить на две группы – с механическим и электрическим регулированием. В первую группу входят устройства, связанные с применением подвижных обмоток и секций магнитопроводов, во вторую – устройства, связанные с подмагничиванием магнитопроводов постоянным током и тиристорным регулированием.

При ручной дуговой сварке используются в основном трансформаторы с механическим регулированием. Диапазон номинальных токов трансформаторов для ручной дуговой сварки 125…500А. Для сварки под флюсом используются только трансформаторы с электрическим регулированием, позволяющим обеспечить стабилизацию режима при колебаниях напряжения сети и простое дистанционное регулирование. Диапазон номинальных токов трансформаторов для сварки под флюсом 1000…2000А.

Внешние характеристики сварочных трансформаторов могут быть крутопадающими (ПВХ) и пологопадающими, или «жёсткими» (ЖВХ). При ПВХ трансформатор в выпрямительной установке работает в режиме регулятора сварочного тока и имеет повышенную индуктивность рассеяния. Последняя изменяется за счёт регулирования расстояния между катушками его первичной и вторичной обмоток. По технологическим и экономическим соображениям часто используют плавно-ступенчатое регулирование, когда две (или более) ступени регулирования сочетаются с плавным регулированием внутри каждой ступени. При ЖВХ сварочный трансформатор работает как регулятор напряжения. Рабочее напряжение регулируется в заданных пределах от минимального до максимального значения в строгом соответствии с заданным диапазоном сварочного тока.

Трансформаторы с подвижными обмотками

Трансформаторы такого рода могут выполняться с магнитопроводами броневого (рис. 4.5 а, б,в) и стержневого (рис. 4.5 г, д) типов. Обмотки броневого трансформатора бывают цилиндрическими или дисковыми, обмотки стержневого трансформатора, как правило, только дисковые. Развитое магнитное рассеяние трансформаторов достигается за счёт развитой проводимости между стержнями магнитной системы и расположением первичной 1 и вторичной 2 обмоток вдоль стержней 3 магнитопровода на некотором расстоянии друг от друга (рис. 4.5). Одна из обмоток трансформатора, обычно сетевая, выполняется неподвижной, другая – подвижной. Перемещение подвижной обмотки осуществляется ходовым винтом. При сближении обмоток индуктивность рассеяния уменьшается, что приводит к увеличению сварочного тока. На таком принципе построено большинство выпускаемых в настоящее время сварочных трансформаторов (типов ТС на токи от 120 до 500А, ТКС и ТД на токи 300 и 500А).

Установлено, что все известные модификации трансформаторов броневого типа уступают по удельным расходам активных материалов и по КПД трансформаторам стержневого типа. Поэтому трансформаторы стержневой конструкции (рис. 4.7.2.1,г) получили наибольшее распространение в сварочных агрегатах. Следует отметить, что сварочный ток изменяется примерно в обратной зависимости от расстояния между обмотками и при большом их раздвижении эффективность регулирования тока снижается. Для расширения пределов изменения тока применяется плавно-ступенчатое регулирование (рис. 4.6) путём одновременного переключения числа витков сетевой и вентильной обмоток. Трансформаторы типов ТД-303 и ТД-504 с таким регулированием имеют переключатель диапазонов, при помощи которого катушки обеих обмоток переключаются с параллельного соединения на последовательное (рис 4.6 а), что даёт два диапазона изменения сварочного тока. Например, трансформатор ТД-504 позволяет регулировать сварочный ток от 240 до 750А, и от 75 до 240А. Номинальное вторичное напряжение равно 30В, номинальный ток 500А. Регулировочные характеристики трансформатора для двух ступеней регулирования приведены на рисунке 4.6 г (кривые 1 и 2). Для уменьшения высоты магнитопровода, массы и габаритов трансформатора используется также схема (рис. 4.6 б) с частичным отключением витков катушки первичной обмотки при переходе с параллельного их соединения на последовательное. Напряжение холостого хода в диапазоне малых токов повышается, что благоприятно сказывается на стабильности горения дуги. Регулировочные характеристики 1 и 3 (рис. 4.6 г) соответствуют схеме трансформатора с частичным отключением витков.

На рисунке 4.6 в приведена схема трансформатора, в котором катушки сетевой обмотки включены последовательно. Катушки вентильной обмотки на ступени больших токов включены параллельно, а при переходе на ступень малых токов одна катушка вентильной обмотки отключается. При этом индуктивное сопротивление трансформатора изменяется примерно в два раза.

Для расширения пределов регулирования тока в отдельных конструкциях трансформаторов наряду с подвижной обмоткой используются магнитные шунты 4,5 (рис. 4.5 б).

При уменьшении зазора между шунтами сварочный ток понижается. На этом принципе устроены трансформаторы типа СТШ на токи 250, 300 и 500А, предназначенные для дуговой ручной сварки и автоматической сварки под флюсом.

Трансформаторы с магнитным шунтом, подмагничиваемым постоянным током (рис. 4.7) имеют между основной 2 и дополнительной 3 частями вентильных обмоток магнитный шунт 6 с подмагничивающей обмоткой управления 5. Сетевая обмотка 4 расположена у верхнего ярма 1.

Изменяя ток в обмотке 5, можно регулировать индуктивное сопротивление рассеяния трансформатора. Подобную конструкцию имеют трансформаторы ТДФЯ-1001 и ТДФ-1601 (соответственно на токи 1000 и 1600А при ПВном=100%) для автоматической сварки под флюсом. Для плавного изменения тока подмагничивания обмотка 5 питается от однофазного тиристорного выпрямителя

Элементы расчёта сварочного трансформатора

Исходными данными при расчёте являются мощность трансформатора, продолжительность нагрузки, номинальный ток и пределы его регулирования, номинальное рабочее напряжение, напряжение холостого хода и тепловой режим, на который рассчитывается трансформатор (класс изоляции обмоток). Машинные методики расчёта оптимальной геометрии трансформатора с учётом его регулировочных свойств ещё не совершенны, т. к. не учитывают особенности теплового режима для всех просчитываемых вариантов. Поэтому до настоящего времени находит применение расчёт методом последовательных приближений. Предварительно определяются основные геометрические размеры трансформатора, а потом производится поверочный расчёт всех заданных величин, и в первую очередь индуктивного сопротивления; затем уточняются геометрические размеры и т. д.

Расчёт выполняется в следующем порядке:

1. Минимальное и максимальное индуктивные сопротивления, обеспечивающие заданные пределы регулирования

, (4.17)

где I22 и I21 – максимальный и минимальный ток нагрузки, U22 и U21 – рабочие напряжения, соответствующие токам нагрузки I22 и I21, определяемые, например, по формуле

U­2=20+0,04I2 (4.18)

в вольтах.

2. Количество витков обмоток. Для выбора числа витков сетевой и вентильной обмоток W1 и W2 рекомендуется пользоваться эмпирической зависимостью параметра еW (в вольтах на виток) от расчётной мощности трансформатора (в киловольт-амперах), приведённой к длительному по нагреву току трансформатора

eW=0,55+0,095Sтип. дл. (4.19)

Мощность в киловольт-амперах

(4.20)

где ПН – продолжительность нагрузки, %. Количество витков обмоток

(4.21)

3. Количество витков катушек. При параллельном соединении катушек W1K=W1; W2K=W2.

4. Номинальный ток сетевой обмотки в амперах

(4.22)

где кm=1,05…1,1 – коэффициент, учитывающий намагничивающий ток трансформатора; кТР – коэффициент трансформации.

5. Сечение стали сердечника трансформатора в квадратных сантиметрах

(4.23)

где ВМ - индукция в сердечнике, Тл. Для холоднокатаной стали индукция может быть принята равной ВМ=1,6…1,7Тл.

6. Конструктивные размеры трансформатора. Расчёт конструктивных размеров ведётся для стержневой конструкции, эскиз которой дан на рисунке 4.8. Далее все линейные размеры в миллиметрах, сечения – в квадратных миллиметрах.

6.1. Ширина пластины стержня а и ширина окна Сок магнитопровода

(4.24)

где р1=в/а=1,8…2,2; р2=1,0…1,2; кс=0,95…0,97 – коэффициент, заполнения стали; в – высота набора магнитопровода. Указанные значения коэффициентов р1, р2 рекомендуются для трансформаторов на токи 200…500А.

6.2. Сечения обмоточных проводов (для параллельного соединения катушек)

(4.25)

Для трансформаторов на токи до 500А класса изоляции Н для ручной дуговой сварки, изготовленных из алюминиевого провода могут быть рекомендованы следующие значения плотностей тока: j1=2,4…2,8А/мм2, j2=2,1…2,3А/мм2. Нижние значения j1 и j2 соответствуют трансформаторам большей мощности. Для сетевой обмотки обычно используется провод марки АПСД, для вентильной – голая шина марки АДО.

6.3. Размеры провода, выбираемые исходя из требуемого сечения по таблицам стандартов или технических условий: а1п, в1п – ширина и высота провода сетевой обмотки; а2п, в2п – тоже для вторичной обмотки; а/1п, в/1п, а/2п, в/2п – то же в изоляции.

Высоту провода следует выбирать как можно меньшей, так как добавочные потери в обмотках от токов магнитного рассеяния трансформатора пропорциональны четвёртой степени высоты провода.

6.4. Констуктивно-крепёжные размеры (рис. 4.8):

изоляционные расстояния катушек в окне от магнитопровода d1=5…10; верхнее значение соответствует подвижной обмотке; ширина вентиляционных каналов в обмотках d2=10…13; ширина прокладки между катушками сетевой обмотки d3=1,5…2,0; размеры крепёжных изоляционных деталей первичной обмотки d4=d5=10.

6.5 Размеры катушки первичной обмотки:

ширина катушки

, (4.26)

число слоёв в катушке

, (4.27)

где к­И=0,15мм – толщина межслоевой изоляции; кУ=1,1 – коэффициент, учитывающий неплотность укладки проводов;

число витков в слое

, (4.28)

высота сетевой катушки

, (4.29)

если трансформатор изготавливается по схеме рис. 4.6 б, то между основной частью первичной катушки и отключённой частью необходимо проложить усиленную изоляцию – поставить три прокладки по 0,15мм.

6.6. Размеры катушки вентильной обмотки. Вентильная обмотка наматывается «на ребро» голой алюминиевой шиной марки АДО. Выбор размера шины и внутреннего радиуса намотки «на ребро» производится из условия, что относительное удлинение волокон шины по наружному радиусу должно быть не более 30%, в противном случае могут появиться разрывы шины при намотке.

Высота катушки

h1=W2кв/2пкУ, (4.30)

6.7. Высота окна магнитопровода

(4.31)

Величина xмакс определяется в процессе поверочного расчёта индуктивного сопротивления трансформатора.

7. Полный тепловой расчёт трансформатора может быть выполнен по известным методикам расчёта силовых трансформаторов.

Контрольные вопросы.

1. Что понимают под номинальной и типовой мощностью преобразовательных трансформаторов.

2. Какие методы применяются для устранения вынужденного намагничивания трансформатора.

3. Объяснить, почему в мощных выпрямительных агрегатов одну половину вентильных обмоток трансформаторов соединяют в звезду, а вторую – в треугольник.

4. Что даёт управление выпрямителем со стороны вентильных обмоток трансформатора.

5. Пояснить конструкции сварочных трансформаторв.

5. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ.

Разработка любого выпрямителя сопровождается физическим или математическим моделированием. Первое требует изготовления макетов и связано с материальными затратами, часто весьма значительными. Второе основано на использовании средств и методов вычислительной техники. В настоящее время программы моделирования схем настолько развиты и доступны, что естественным образом дополняют традиционные методы проектирования вентильных преобразователей электрической энергии. К программам такого рода, в первую очередь, следует отнести программу схемотехнического моделирования к которым следует отнести также программу Electronic Workbench (EWB), разработанную фирмой Interactive Image Technologies (Канада) для моделирования электротехнических и электронных устройств различного назначения. Учебная версия программы (EWB 4.1) имеет ряд достоинств:

легко осваивается;

достаточно удобна в работе и проста в применении;

дает возможность апробировать свои технические решения. Особенностью программы является наличие контрольно-измерительных приборов, сходных по внешнему виду и характеристикам с промышленными аналогами, что создает иллюзию реальности при имитации электрических цепей.

Программа EWB обладает преемственностью, т. е. все схемы, созданные в версии 4.1, могут быть промоделированы в версии EWB 5.0, EWB 5.12 и новой версии программы–Multisim 2001, имеющей более широкие возможности.

5.1 Примеры моделирования.

Схемы моделирования однофазного выпрямителя со средней точкой при работе на активную нагрузку и осциллограммы сигналов при указанных на схеме параметрах элементов приведены на рис. 5.1,а, б.

В схеме использована модель диода со следующими значениями параметров:

Saturation current, A – обратный ток диода, по умолчанию 10-14 А;

Ohmic resistance, Ом – объемное сопротивление, равно нулю;

Zero-bias capacitance, Ф – барьерная емкость p-n перехода, равна нулю;

Transit time, В – время переноса заряда, равно 0;

Junction grading coefficient – конструктивный параметр, равен 0,5;

Junction potential, B – контактная разность потенциалов, равна 0,75;

Reverse Bias Breakdown Voltage, В – максимальное обратное напряжение, задается со знаком минус и равно   -400 В. Модель трансформатора имеет следующие параметры:

Leakage inductance, Гн – индуктивность рассеяния, равна нулю;

Primary winding resistance, Ом – сопротивление сетевой обмотки, равно нулю;

Secondary winding resistance, Ом – сопротивление вентильной обмотки, равно нулю;

Magnetizing inductance, Гн – индуктивность намагничивания, равна 5 Гн.

Каналы осциллографа работают в режиме DC-открытого входа. Вольтметры с цифровым отсчетом имеют внутреннее сопротивление 1.106 Ом (по умолчанию). Один из них подключенный к нагрузке R0, действует в режиме DC (постоянного тока), а другой, подключенный к вентильной обмотке – в режиме AC (переменного тока). Для измерения коэффициента пульсаций канал B осциллографа следует перевести в режим AC-закрытого входа.

Схема моделирования (рис. 5.2,а) позволяет снять осциллограммы прямого тока iпр.V и обратного напряжения Uобр.V на вентиле VD1, а также измерить цифровым амперметром среднее значение выпрямленного тока I0, действующее значение Iэфф.V тока вентиля VD2 и тока I2, т. к. Iэфф.V=I2, а также действующее значение тока I1 сетевой обмотки трансформатора. Амперметры имеют (по умолчанию) внутреннее сопротивление 1·10-3Ом. Один из них, подключённый к нагрузке R0, установлен в режим DC, а два других в режим АС.

Схемы моделирования однофазного мостового выпрямителя с емкостным сглаживающим фильтром даются на рис.5.3,а, 5.4,а и 5.5,а. Осциллограммы выходного (сглаженного) и входного (сетевого) напряжений выпрямителя приведены на рис.5.3,б; осциллограммы тока в ёмкости фильтра и прямого тока вентиля VD2, показанные на рис.5.4,б, иллюстрируют особенности работы вентиля в режиме с отсечкой тока. Амплитуда прямого тока растёт, длительность проводящего состояния вентиля уменьшается. Осциллограммы обратного напряжения на вентиле VD2, тока сетевой обмотки трансформатора и действующее значение I1 этого тока (рис.5.5,б), полученные с помощью схемы рис.5.5,а, позволяет проверить правильность выбора вентиля по обратному напряжению и диаметра провода сетевой обмотки трансформатора по допустимой плотности тока.

Схемы моделирования трёхфазного однотактного выпрямителя с индуктивным фильтром приведены на рис.5.6,а и 5.7,а. Осциллограммы выпрямленного напряжения на входе и на выходе фильтра (рис.5.7,б) имеют различную форму, что объясняется
действием ЭДС индукции , наводимой в фильтре за счёт пульсаций тока i0. Как видно из осциллограмм (рис.5.6,б), форма прямого тока вентиля VD1 приближается к прямоугольной, а длительность запертого состояния вентиля занимает 2/3 периода сетевого напряжения.

На рисунках (5.8,а и 5.9,а) представлены схемы для моделирования режимов работы трёхфазного двухтактного выпрямителя при активной нагрузке. Выпрямленное напряжение U0 примерно в 2 раза больше напряжения на вентильных обмотках (рис.5.8,а) а малые пульсации напряжения u0 (рис.5.8,б) обеспечиваются самой схемой выпрямителя без сглаживающего фильтра. Формы тока вентиля (рис.5.9,б) и сетевой обмотки трансформатора близки к прямоугольной и имеют пульсации, частота которых больше частоты сетевого напряжения в шесть раз.