Практична робота №3

Тема:  Розрахунок зварювального трансформатора.

Мета: Навчитись розраховувати  зварювальні трансформатори засобами комп'ютерної програми Microsoft Excel.

Завдання

Цей трансформатор, як і будь – який інший складається з магнітопроводу та обмоток. Магнітопровід трансформатора часто набирають із спеціальних листів електротехнічної сталі прямокутної форми. Для виготовлення магнітопроводу необхідне спеціальне обладнання та листова сталь. Інколи таких умов немає. Тоді для магнітопроводу  трансформатора доцільно використовувати статорне залізо непрацюючих двигунів. В магнітопроводі зварювального трансформатора на базі статорного заліза асинхронного двигуна немає повітряних зазорів. Це знижує струм холостого ходу та збільшує магнітну індукцію в магнітопроводі, що зменшує число витків та витрату обмоточного проводу.

1-магнітопровід; 2-вторинна обмотка; 3-первинна обмотка; 4-обмотка для точкового зварювання.

Вихідні дані для розрахунку зварювального трансформатора:

-напруга первинної обмотки ( визначається номінальною напругою споживаючого джерела струму 127, 220 та 380В),

-напруга вторинної обмотки при холостому ході ( визначається можливістю запалювання зварювальної дуги,  складає 50...70В),

-значення зварювального струму та його густину.

Зварювальний струм рівний для:

- двох міліметрових електродів – 40...50А,

- трьох міліметрових – 70...100А,

- чотирьох міліметрових – 110...140А.

Трансформатор працює в повторно – короткочасному режимі. Загальний час зварювання в побутових умовах порівняно короткочасні, щільність струму можна взяти значно більшою (приблизно 6...8 А/мм² ), ніж для звичайних трансформаторів.

 Граничний струм вторинної та первинної обмоток (І₂ та І₁ ) зварювального трансформатора при звичайній частоті в 50 Гц підраховують за формулами:

І_гран =(3,5Δk_м β a b D² )/( 10⁵ U₂₎;        (1)            

І₁ = І₂ U_2/U_{1 ;    (A )}        (2)

-  U₁ та U₂  - первинна та вторинна напруга при холостому ході трансформатора, В;

- Δ – максимальна щільність струму в обмотках, Δ = 6 (А/мм²⁾  ;

-  β – магнітна індукція, β=1,5 Т;

-  k_м – коефіцієнт заповнення простору матеріалом обмоточного проводу  k_м =0,4;

-  a та b – розміри поперечного перерізу, мм; а = (D1-D)/2  (мм),   

-  D – внутрішній діаметр пакету статорного заліза, мм.

-  D1- зовнішній діаметр пакету статорного заліза, мм.

Число витків первинної та вторинної обмоток трансформатора ( N₁ та N₂ ) із частотою в мережі живлення рівній 50 Гц підраховується за формулами:

N₁ =(U₁ 10⁴)/(2,22 β a b) ;    (3)                       N₂ = N₁U₂ / U₁ .   (4)

Поперечні перерізи обмоточних проводів первинної та вторинної обмоток трансформатора рівні:

S₁ = I₁ / Δ      мм²,   (5)                      S₂ = I₂ / Δ        мм²,   (6)

Поперечний переріз проводу первинної обмотки часто є невеликим, і його можна прийняти круглим, діаметром:

d₁ = 1,13 _√ S₁мм.  (7)                        d₂ = 1,13 _{√ S1}мм.       (8)

Переріз проводу вторинної обмотки значно більший перерізу первинної. Якщо діаметр проводу  3 мм та більше, то доцільно переходити на провід прямокутного або круглого перерізу в декілька паралельних проводів.

З каталогу вибираємо марки обмоточних проводів, діаметри та площі поперечних перерізів які найбільш близько підходять до отриманих.

З врахуванням товщини ізоляції  знаходимо діаметр ізольованих проводів d_1із та d_2із або розміри сторін ізольованого прямокутного проводу а_2із та b_2із .

Первинну обмотку на пакеті статорного заліза розміщують так, щоб вона займала приблизно 60% довжини кола. На іншій частині пакету розміщують вторинну обмотку (див рис.). Перш ніж розміщувати обмотки, пакет магнітопроводу потрібно повністю ізолювати, наприклад, електрокартоном  загальною товщиною 1...2 мм,  посилюючи ізоляцію в місцях перегинання обмоточного проводу.

  Число витків в шарові (n₁ ) та число шарів (m₁) первинної обмотки трансформатора буде рівне:

n₁ =0,6 π D /1,05 d₁ ;    (9)              m₁ = N₁ / n₁.      (10)

Вторинна обмотка буде мати n₂  число витків в шарові та m₂ число шарів:

n₂ = 0,4 π D /1,05 d₂ ;    (11)                        m₂ = N₂ / n₂             (12)

Довжину проводу на первинну ( L₁ ) та вторинну обмотки ( L₂ ) трансформатора підраховують за формулами:

L₁ = 2[0,5 ( D₁ – D ) + b + σ_к + m₁ ( d₁ + σ₁)] N₁ 10^-3  м;    (13)

L₂ = 2[0,5 ( D₁ – D ) + b + σ_к + m₂ ( d₂ + σ₂)] N₂ 10^-3  м,    (14)

де

D₁ – зовнішній діаметр пакета сталі статора;

σ_к – товщина ізоляції обмотки від пакету сталі, мм; σ_k = 1,5 мм,

σ₁ таσ₂  - товщина між шарової ізоляції в первинній та вторинній обмотках, мм;  σ₁ = 0,3 мм, δ₂ = 0,5мм

Маса міді первинної та вторинної обмоток дорівнює:

G_м1 = 8,95 S₁L₁ · 10^-3 кг;                 G_м2 = 8,95 S₂L₂ · 10^-3 кг.        ⁽¹⁵⁾ 

Зварювальний струм в трансформаторі можна регулювати переміщенням на магнітопроводі вторинної обмотки відносно первинної, причому при зближенні їх центрів зварювальний струм збільшується.

Для  контактної зварки тонких металевих листів достатньо мати вторинну обмотку в трансформаторі з напругою при холостому ході  U_k= 6 В. Виготовляти цю обмотку потрібно із проводу великого перерізу, не менше 50 мм², так як по ній проходить струм в сотні ампер. Намотувати обмотку для контактного зварювання потрібно зверху первинної так, щоб їхні центри співпадали.Число витків обмотки для контактного зварювання визначається рівнянням: 

N _{k =} N₁ U k / U_1.   (16)

Початкові дані

Приклад розрахунку зварювального трансформатора

Початкові дані : U₁ = 220B; I₂ = 140A; U₂ = 55B;

Пакет статорного заліза, що використовується в якості магнітопроводу, має геометричні розміри: D₁ = 244мм, D = 140 мм, a = 25мм, b = 140 мм.

 Взявши значення k_м = 0,4 та β = 1,5т.

 За формулою 1 визначаємо можливість виконання зварювального трансформатора із вказаними параметрами на даному магнітопроводі:

 І_гран =(3,5Δk_м β a b D² )/( 10⁵ U₂₎ = 157А.

 Отриманий струм більший за потрібний зварювальний струм ( 157 >140), що вказує на можливість виготовлення трансформатора з заданими параметрами.

 Визначаємо первинний струм, число витків первинної та вторинної обмоток трансформатора:

 І₁ = 35А;   N₁ = 189; N₂ =  47.

Використовуючи формули 5 – 7, розрахуємо площу поперечних перерізів обмоточних проводів та діаметр для первинної обмотки:

 S₁ = 35 / 6 = 5,83 мм²;                       S₂ = 140 / 6 = 23,33 мм²;

 d₁ =  2,73 мм.   d₂ =  5,46 мм

 Число витків в шарові та число шарів трансформатора обраховується за формулами :

 n₁ =  92;                      n₂ =  31;

 m₁ = 189 / 92 = 2,1;                           m₂ = 31 / 46 = 1,5

 Для подальшого обчислення приймаємо число шарів в первинній обмотці m₁ = 3, а у вторинній m₂ = 2.

 Маючи товщину ізоляційних прошарків σ_k = 1,5 мм, σ₁ = 0,3 мм, δ₂ = 0,5мм, за формулами 13 – 15 знаходимо довжину та масу міді обмоточного проводу:

 L₁ = 2 [ 0,5 (244 – 140) + 140 + 1,5 + 2(2,7 + 0,3)] 189 · 10^-3 = 75м;

 L₂ = 2 [ 0,5 (244 – 140) + 140 + 1,5 + 1(5,4 + 0,5)] 47 · 10^-3 = 12м;

 G_м1 = 8,9 · 5,8 · 75 · 10^-3 = 3,9 кг;

 G_м2 = 8,9 · 23,24 · 42 · 10^-3 = 8,9 кг.

 N_k= 189 6/ 220 = 5.  

Звіт зробити в електронній формі  завантаживши документ Excel . Занести  результати вимірювань та створити формули для розрахунку по зразку першої таблички  Завантажити форму електронного звіту.

 Програма для електричних розрахунків Електрик 7.5 завантажити