Расчёт сварочного выпрямителя, предназначенного для однопостовой механизированной сварки плавящимся электродом в среде углекислого газа и под флюсом деталей из низкоуглеродистых и низколегированных ст
СОДЕРЖАНИЕ: Выбор схемы выпрямления, основные параметры выпрямителя. Катушка трансформатора с первичной и вторичной обмотками из изолированного провода. Значения тока тиристора в зависимости от номинального выпрямленного тока. Расчёт КПД сварочного выпрямителя.Министерство образование Российской Федерации
Санкт-Петербургский институт машиностроения (ЛМЗ-ВТУЗ)
Кафедра «Технология и оборудование сварочного производства»
Курсовая работа
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
Исходные данные
Наименование параметра | Обозначение параметра | Величина |
1. Номинальное напряжение трёхфазной питающей сети частотой fс =50 Гц, В | Uс |
380 |
2. Номинальный выпрямленный (сварочный) ток, А | Id н | 500 |
3. Номинальное выпрямленное (рабочее)напряжение на зажимах выпрямителя при номинальном токе, В | Ud н |
50 |
4. Номинальный режим работы (продолжительность нагрузки) при цикле сварки 10 мин, % | ПН% |
60 |
5. Способ регулирования сварочных параметров | тиристорный | |
6. Внешняя характеристика | жёсткая | |
7. Система охлаждения | Воздушнаяпринудительная | |
8. Класс изоляции | F | |
9.Кострукционные особенности: а) материал магнитопровода б) материал обмоток трансформатора |
Сталь 3413 Алюминиевые провода |
Выбор схемы выпрямления
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 =(1,41,8)Ud н =(1,41,8)50=7090(В)
Ud н – номинальное выпрямленное напряжение
Принимаем Udxx =80(В)
2) Длительно допустимый по нагреву ток выпрямителя:
Id дл =Id н =500=387 (А)
Id н – номинальный выпрямленный ток
ПН - продолжительность нагрузки
Расчёт силового трансформатора
1. Расчёт фазных токов и напряжений обмоток трансформатора:
По выбранной схеме выпрямления и схеме соединения первичной обмотки в треугольник рассчитываем:
1.1. Вторичное фазное напряжение:
U2ф = ==68,4 (В)
1.2. Реальное значение напряжения холостого хода выпрямителя:
Udxx 0 =1,35 U2ф =1,3568,4=92,3 (В)
1.3. Действующее значение тока вторичных обмоток трансформатора:
I2ф = Id н 0,289=5000,289=144,5 (А)
выпрямитель катушка трансформатор сварочный
1.4. Расчётное значение тока вторичных обмоток:
I2ф расч. =I2ф =144,5=111,9 (А)
1.5. Коэффициент трансформации:
При соединении первичной обмотки в треугольник
Кт ===5,56
1.6. Действующее значение фазного тока первичной обмотки:
I1ф =0,41Id н =0,41500=36,87 (А)
I1ф =36,871,05=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 =38,7=29,98 (А)
1.8. Значение номинальной отдаваемой (выпрямленной) мощности выпрямителя:
Pd н =Id н Ud н =50050=25000 (Вт)=25 (кВт)
1.9. Значение потребляемой мощности:
При соединении первичной обмотки в треугольник
Pсети =Uc I1ф 310-3 =38038,7310-3 =44,1 (кВА)
2. Предварительный расчёт магнитной системы и обмоток:
2.1. Значение ЭДС, приходящейся на один виток:
e0 =(0,080,045)Pсети расч.
Pсети расч. =Pсети =44,1=34,2 (кВА)
e0 =(0,080,045)34,2=2,7361,539
Принимаю e0 =2,7 (В/виток)
2.2. Предварительное число витков вторичной обмотки:
W2 ’ ===25
2.3. Предварительное число витков первичной обмотки:
W1 ’ =
U1ф =Uc – при соединении первичной обмотки в треугольник
W1 ’ ==141
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 ===2,44 (В/виток)
Окончательное число витков первичной обмотки:
W1 ===155,6
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 ’ ===20 (мм2 )
q2 ’ ===49 (мм2 )
2.7. Активное сечение стали магнитопровода:
Предварительное активное сечение:
Sa ’ =e0 104 /4,44f0 В’
f0 – частота питающей сети;
В’ – предварительное значение магнитной индукции;
Для холоднокатаной анизотропной стали марки 3413 В’ 1,65 (Тл)
Sa ’ =2,44104 /4,44501,65=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 =70,1102 /82=85,5 (мм)
Окончательную толщину набора принимаем lст =86 (мм)
Окончательное сечение магнитопровода:
Sст =lст bст /100=8682/100=70,5 (см2 )
Окончательное активное сечение магнитопровода:
Sa =Sст Кс =70,50,95=67 (см2 )
Окончательная магнитная индукция:
В=e0 104 /4,44fSa =2,44104 /4,445067=1,64 (Тл)
2.11. Суммарная площадь обмоток, которые необходимо разместить в окне:
Q=Q1 +Q2
Q1 – площадь первичной обмотки
Q1 =q1 ’ W1 =20156=3120 (мм2 )
Q2 – площадь двух вторичных обмоток
Q2 =2q2 ’ W2 =24928=2744 (мм2 )
Q=Q1 +Q2 =3120+2744=5864 (мм2 )
2.13. Площадь окна магнитопровода:
Sок =2Q/Кзо
Кзо – коэффициент заполнения окна, Кзо =0,45
Sок =25864/0,45=26062 (мм2 )
3. Окончательный расчёт магнитной системы трансформатора:
3.1. Ширина окна:
b0 =(1,11,5)bст
bc т – ширина стержня
b0 =(1,11,5)82=90,2123 (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 =2112+82=306 (мм)
l3 =b0 +bст =112+82=194 (мм)
Количество листов каждого типа:
n1 =lст 0,953/0,5=860,953/0,5=490 (шт),
n2 = lст 0,95/0,5=163 (шт),
n3 = lст 0,952/0,5=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 0,9510-3
-плотность электротехнической стали 3413, =7,65 (г/см3 )
Gc =[(23,3+28,2)(211,2+38,2)-223,311,2]8,60,957,6510-3 =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 =323,3+411,2/8,2=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 =1,2842,31,15=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 =267/3380=0,2 (А)
Iор =[Hc lм +0,8Вnз з 104 /2W1 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 ;
з – 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+211,2)/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 + bст /2=23,3+211,2+8,2+3,148,2/2=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. +,8В30,005104 )/2W1 Кr ]Кухх
Iор к.ф. =[(8,266,8+0,81,6430,005104 )/21561,1]2,5=7,7 (А)
Реактивная составляющая тока холостого хода для средней фазы:
Iор ср.ф. =[(Hc lм ср.ф. +0,8В10,005104 )/2W1 Кr ]Кухх
Iор ср.ф. =[(8,231,5+0,81,6410,005104 )21561,1]2,5=3,3 (А)
Среднее значение реактивной составляющей тока холостого хода:
Iор =(2Iор к.ф. + Iор ср.ф. ) /3=(27,7+3,3)/3=6,2 (А)
Абсолютное значение тока холостого хода:
==6,2 (А)
Ток холостого хода в процентах от номинального первичного тока:
i=(I0 /I1ф )100%=(6,2/38,7)100%=16%
4. Окончательный расчёт обмоток трансформатора
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:
Номинальный размер проволоки а*b, мм | Площадь поперечного сечения q, мм2 | Размеры провода с изоляцией аиз *bиз , мм | Масса 1000 м провода, кг |
2,12*10,0 | 21,12 | 2,6*10,4 | 62,58 |
5,00*14,0 | 69,14 | 5,52*14,48 | 201,32 |
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 - 2я
я – зазор между торцевой поверхностью обмотки и ярмом магнитопровода, равный 5 (мм);
h0 – высота окна магнитопровод
hобм =233-25=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:
1 =nc 1 nпар1 аиз1 +(nc 1 -1)вит
2 =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
1 =812,6+(8-1)0,15=22 (мм)
2 =215,52+(2-1)0,15=11 (мм)
4.6. Радиальный размер катушки трансформатора:
=1 +2 +12 +т
т – технологические зазоры, связанные с отступлением сторон катушки от парралельности, с неплотностью намотки, т =4 (мм);
12 – расстояние между первичной и вторичной обмотками, 12 =0,16 (мм)
=22+11+30,16+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(R+1 /2)
R-радиус скругления проводов при переходе с одной стороны на другую при намотке, R=10 (мм)
lср1 =2(94-210)+2(116-210)+23,14(10+22/2)=471 (мм)
Средняя длина витка вторичной обмотки
lср2 =2(А-2R)+2(Б-2R)+2(R+1 +12 +2 /2)
lср2 =2(94-210)+2(116-210)+23,14(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 -2
кат =112-12-237=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 =1,050,061560,471=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 =1,050,22280,576=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) =lср1 W1 /q1
r0 (2) = lср2 W2 /q2
- удельное электрическое сопротивление материала провода катушки, (для алюминиевого провода при 20 о С =0,0282(Оммм2 /м))
lср1 ,lср2 – средние длины витков провода первичной и вторичной обмоток (м)
r0 (1) =0,02820,471156/21,12=0,1 (Ом)
r0 (2) =0,02820,576 28/69,14=0,007 (Ом)
r1 =1,040,1=0,062 (Ом)
r2 =1,040,007=0,0073 (Ом)
Активные сопротивления первичной и вторичной обмоток, отнесённые к расчётной температуре, которая для обмоток класса F составляет 115 о С:
r1 t =1,38r1 =1,380,062=0,1 (Ом)
r2 t =1,38r2 =1,380,0073=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 =7,910-8 fc W2 1 lср s / ls
fc – частота питающей сети;
s – ширина приведённого канала рассеяния (см)
s =12 +((1 +2 )/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 =7,910 -8 50(156)2 52,41,1/24,5=0,23 (Ом)
Полное сопротивление обмоток, приведённое к первичной обмотке:
=0,5 (Ом)
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 =60,01(144,5)2 =1253 (Вт)
4.14. Напряжение короткого замыкания:
Активная составляющая напряжения короткого замыкания
Uа =I1ф rк =38,70,3=11,6 (В)
Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания
Uр =I1ф xк =38,70,23=8,9 (В)
=14,6 (В)
Напряжение короткого замыкания в процентах от первичного напряжения:
Uк% =Uк 100/U1ф =14,6100/380=3,8 %
Расчёт блока тиристоров
1. Выбор типа тиристора и охладителя:
1.1. Среднее, действующее и максимальное значения тока тиристора в зависимости от номинального выпрямленного тока:
Iв.ср. =Id н 0,166=5000,166=83 (А)
Iв = Id н 0,289=5000,289=144,5 (А)
Iв мах = Id н 0,5=5000,5=250 (А)
1.2. Максимальное обратное напряжение на тиристоре:
Uобр.мах =Ud хх 2,09=802,09=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 +4К2 ф rдин 10-3 (Tп.м. -Tc )/Rт(п-с) ) -Uпор ]/2К2 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 1,410-3 (125-40)/0,555)-1,15]/2(1,73)2 1,410-3 =
=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=1,051,1
Pв =1,05(1,1583+1,410-3 (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 =0,555131+40=113 С
1.6. Класс тиристора:
Uповт. =0,8Uобр.мах
Uповт. - повторяющееся напряжение, определяющее класс вентиля
Uповт. =0,8167,2=133,8 (В)
Принимаю Uповт. =200 (В).
Учитывая возможные перенапряжения, окончательный класс тиристора принимаю равный 4.
Условное обозначение выбранного тиристора:
Т161-160-4-12УХЛ2
Расчёт КПД выпрямителя
Коэффициент полезного действия выпрямителя при номинальной нагрузке:
=Pd н /Pd н +P
Pd н – отдаваемая (выпрямленная) номинальная мощность
P – суммарные активные потери в схеме выпрямления, которые можно разбить на следующие составные части:
1. Потери в вентилях:
Pв =mв Pв
mв – количество вентилей в схеме выпрямления
Pв – мощность, рассеиваемая на одном вентиле
Pв =6130,9=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 =(23)%Pd н =0,6 (кВт)
4. Потери в уравнительном реакторе:
Pур =(12)%Pd н =0,375 (кВт)
5. Потери во вспомогательных устройствах (в системе управления, системе охлаждения):
Pвсп =(0,51,5)Pd н =0,25 (кВт)
6. Потери в соединительных шинах:
Pш =450 (Вт)=0,45 (кВт)
Значение КПД:
=Pd н /Pd н +Pв +Pтр +Pдр +Pур +Pвсп +Pш
=25 /25+0,785+2,2+0,6+0,375+0,25+0,45=0,84.