Технология и оборудование контактной сварки

Число ступеней регулирова­								в	с
ния N c вторичного напряжения					ш“Ь		пI		а~Нг+лип
обычно принимают равным 4—
16. За	номинальную			ступень	п	а)		А~А	П1 ш	П2
выбирают		предпоследнюю.					а2		-------------о ~ о
						di		bj		С1 б
Схема		изменения числа вит­			RftrM XJiOl
ков Wi (напряжения U20				по сту­
пеням и переключатель обеспе­
чивают надежность и безопас­						т **	I	пг ++ I		пз ~	I
							■■ ■		мм2	мм2
ность	в	работе	(напряжение						о ~о
между	двумя любыми			вывода­	Рис. 6.16. Схемы				регулирования		вторич­
ми первичной обмотки не пре­					ного	напряжения			трансформатора
вышает 1000 В);			изменение U20

при переходе от ступени к ступени не оолее чем на zu 7о —для машин группы А и машин группы Б без фазовой регулировки тока и 30 % —

для машин группы Б с фазовой регулировкой;				отношение предель­
ных значений коэффициентов		трансформации		Кс не менее 2 —для
машин группы А;	1,4— для	машин	группы Б с фазовой регулиров­
кой и 1,8 — для	машин группы Б		без фазовой регулировки тока.

Наиболее простая схема изменения числа витков wl9 применяе­ мая для машин малой мощности, получается при секционировании первичной обмотки трансформатора и соединении ее ответвлений 7— 7 (рис. 6.16, а) с клеммами секционного переключателя /7. При вклю­ чении на клемму 7 ток обтекает все витки; этому соответствует мини­ мальное напряжение U20 (низшая ступень). При включении на клем­

му 7 (высшая ступень)		U20 наибольшее. При этом напряжение сети
подводится к участку		обмотки АВ, а между концами А и С, как
в автотрансформаторе,		появляется напряжение
		и АС = U\TW[/W\ {АВ)у
где wx — общее	число	витков первичной	обмотки; w\ (лв) — число
витков в секции	АВ.		переключателя: П1 и /72.
В схеме б (рис. 6.16) имеется два

При их установке в положение 7 первичная обмотка включена пол­ ностью. При установке ножа П1 в положение 2 левая группа витков (секция АС) отключается. Если при этом переключатель /72 уста­ новлен в положение 4 (высшая ступень), то включается минимальное число витков. При этом напряжение между точками А и В UАв < < 1,5(71т, а коэффициент глубины регулирования /Cp= C 20max//720mln< < 3. Схему (рис. 6.16,6) применяют для машин средней мощности.

В машинах средней и большой мощности широко используется схема в (рис. 6.16). Для уменьшения потоков рассеяния, лучшего

охлаждения и обеспечения параллельной работы катушки	ал и а2,
Ьу и Ь2у сх и с2 имеют равное число витков и расположены	симме­

трично вокруг вторичных дисков. При положении 7 переключателей 777—ПЗ витки всех катушек соединены последовательно, а при положении 2 витки катушек ах и а2, Ьх и Ь2, сх и с2 соединены па­ раллельно. В первом случае wx = 2а + 2b + 2с + d, во втором — Щ — a + b + c + d. При других положениях переключателей часть

6 - Б

	а)	б)
Рис. 6.17. Конструкции дисковых вторичных витков		трансформатора:
а — нз листовой меди;	б — из литого силуминового сплава
витков катушек	включается параллельно,	другая — последова­

тельно. При наличии только одних параллельно-последовательных групп (без катушки d) /Ср = 2.

Для переключения витков обмотки трансформатора используют переключатели пластинчатые, ножевые и барабанного типа.

Выбор'конструкции вторичного витка определяется типом магнитопровода и первичной обмотки, а также условиями охлаждения (воздушное или водяное). При цилиндрической первичной обмотке вторичный виток делают гибким, набранным из фольги, толщиной 0,2—0,4 мм (см. рис. 6.15, а)\ концы его часто соединяют непосред­ ственно с подвижными элементами вторичного контура машины. По ряду причин, изложенных выше, применение цилиндрических обмо­ ток в трансформаторах машин контактной сварки ограничено.

В современных трансформаторах с дисковой первичной обмоткой вторичный виток изготовляют из двух и более плоских дисковых элементов, соединенных параллельно (рис. 6.17, а). Эти элементы штампуют из листовой меди. По периметру к ним припаивают трубки водяного охлаждения, а по концам — колодки для крепления шин вторичного контура. При серийном производстве, особенно трансфор­ маторов большой мощности, предпочтителен литой диск из алюми­

ниевого сплава	с залитой внутрь	стальной трубкой	1 для водяного
охлаждения и	армированного медными планками 2		(рис. 6.17,	0).
В магнитопроводе и обмотках		включенного трансформатора		воз­

никают большие электромеханические силы. Поэтому магнитопровод стягивают болтами при помощи жестких рамок, а обмотки на­ дежно расклинивают текстолитовыми пластинами и сжимают стяж­ ными шпильками, изолированными бакелитовой бумагой (рис. 6 .К4). В собранном трансформаторе (рис. 6.19) первичные катушки изоли­

руют от	вторичных дисков прокладками гетинакса	или	слюдинита,
а от магнитопровода — электрокартоном, слюдой		или	ее замени­
телями.	В последних конструкциях трансформаторов готовый блок
обмоток	заливают эпоксидным компаундом.

Рис. 6.18. Расположение элементов в собранном сварочном трансформаторе бро­ невого типа:

1 —дисковая катушка первичной обмотки;	2■— пластина	вторичной обмотки; 3 — про­
кладка из гетинакса; 4 — прижимной болт;	5 — стальная	рама; 6 — магнитопровод; 7 —•

стальные упорные шайбы; 8 — распорные клинья из текстолита; 9 — изоляционная втулка) 10 — стяжная шпилька; 11 — изоляционная шайба; 12 — стальная шайба; 13 — гайка

Расчет сварочного трансформатора однофазных машин перемен­ ного тока. Расчет и конструирование сварочного трансформатора выполняют для машины конкретного типа с учетом параметров вто­ ричного контура (сопротивлений гв.„ и диапазона толщин или сечений свариваемых деталей и марки металла, а также типа устройства, подключающего трансформатор к источнику энергии.

При расчете однофазного трансформатора за исходные данные

принимают: номинальный длительный вторичный ток	/ 2ДЛ	ре­
жим работы (ПВ); первичное напряжение Ulc (см. табл.	6.2) и его

частоту /х; коэффициент регулирования К р и число ступеней Nc регулирования вторичного напряжения. Трансформатор должен развивать номинальную мощность на предпоследней (номинальной) ступени включения и обеспечивать заданный наибольший вторичный ток /2Ктах при коротком замыкании электродов машины на макси­ мальной ступени и наименьших размерах вылета и раствора.

Вначале выбирают тип трансформатора, способ охлаждения и класс (А, В, Е, F или по ГОСТ 8865—70) изоляции обмоток. В сварочных трансформаторах, как правило, применяют водяное охлаждение вторичного витка. Воздушное охлаждение витка исполь­ зуют только в машинах небольшой мощности (до 10—15 кВ-А).

Рис. 6.19. Сварочный транс­ форматор ТКА-1601 с алю­ миниевой вторичной обмот­ кой:

1 — колодка; 2 — магнитопровод; з — выводы катушек пер­

вичной обмотки; 4 — катушка первичной обмотки; 5 — диск вторичной обмотки; 6 — стяж­ ная рамка из силуминового сплава; 7 — стяжная шпилька;

8 — прижимной болт; 9 — труб­ ка охлаждения

Далее по уравнению (6.2) определяют номинальный сварочный ток

/ св.н* Напряжение на номинальной ступени U20н может		быть опре­
делено по формуле
^20 и ^ 2г/св. н*		(6.13)
Полное сопротивление сварочной	цепи
Z ? = 1 , 0 5 > /Г(/'ээ +	г в . к )2 “Ь х в к>	( 6 . 1 4 )

где 1 , 0 5 — коэффициент, приближенно учитывающий сопротивление трансформатора, приведенное к вторичному контуру-.

Максимальное	вторичное	напряжение	холостого хода
^ 2 0 гг.ах ==	1 » 0 5 Z B. к^2к	ш ах == 1 » 0 6	Гр к Хщ. к ^2к max»

Далее разбивают напряжения по ступеням; желательно, чтобы отношение напряжений на смежных ступенях ЬчопШчо (п-\) = const. При этом коэффициент трансформации на всех ступенях должен рав­ няться целому числу.

Число витков первичной обмотки при w2 = I на номинальной ступени

Щи = ^Лт/^20н*

(6.15)

Его округляют до ближайшего целого числа и корректируют рас­ четное значение напряжения U20H.

Минимальное число витков (на максимальной ступени)

Щ min = ^Лт/^20тах-

Выбирают различные законы изменения напряжения U20 по сту­ пеням. Например, изменение числа витков первичной обмотки по ступеням по арифметической прогрессии для схем б и в (рис. 6.16) можно определить по уравнению

Лс =	Щ н	( К р	-	1)/|/Ср +	(Л^с - 2)]	(6.16)
или
Д с	— W \	min	( К \ у	1 ) / ( ^ с	! ) •

Изменение Дс округлют до целого числа и разбивают числа вит­ ков по секциям. Для широко распространенной схемы регулирова­ ния (рис. 6.16, в) при /Ср = 2 каждая из секций состоит из двух оди­ наковых частей (катушек) с числами витков Дс, 2ДС 4ДС 8Дс ит. д.

Полученные значения чисел витков по ступеням и рассчитанные

U 20k = U\'i№\k>

сводят в таблицу (wXk — число витков k-и ступени).

Сечение витков первичной обмотки рассчитывают по длительному току

I I Д Л = ^ 1 ^ 2 П л / Щ )

где Ki = 1,03-^0,17 — коэффициент, учитывающий ток холостого хода.

Сечение первичной обмотки

Q i = Л пл//ь

где ]\ — допустимая плотность тока в первичной обмотке (/ = 3,2-f-

3,6 А/мм2 для дисковой катушки, плотно	прижатой	к дискам вто­
ричного витка, охлаждаемого водой, и	= l,5-f-2,l	А/мм2 при

охлаждении водой только колодок вторичной обмотки).

По сечениям q всех дисковых катушек (секций") выбирают один или два типа прямоугольного провода (по ГОСТ 434—78).

При расчете вторичного витка определяют его сечение и разби­ вают на число параллельных элементов (дисков). При этом толщина дисков должна быть не менее 6 мм из-за удобства припайки охлажда­ емой трубки, и не более 20—25 мм во избежание повышенных до­ полнительных потерь. Сечение вторичного витка

Qz = ^2 дл. н//2»

где /2 — допустимая плотность тока в витке (для водоохлаждаемого диска из меди марки Ml с припаянными по периметру трубками /2 = = 4,5-=-5,5 А/мм2; литого алюминиевого диска с залитыми внутри трубками охлаждения /2 = Г,5ч-2 А/мм2).

Число дисков определяется числом катушек первичной обмотки и для схемы на рис. 6.16, в в 2 раза меньше числа катушек первичной обмотки.

Расчет магнитопровода включает определение сечения и размеров стержня: толщины набора, высоты и ширины окна и т. д.

Сечение стержня, м2

F z= U ^I{A M hw lHBa),

где Ва = 1,3-т-1,8 Тл, выбираемая в зависимости от ПВ, мощности трансформатора и формы пластин, из которых собран стержень, и марки стали.

Найденное сечение стержня в дальнейшем корректируется при проверке максимального значения тока холостого хода. Из-за не­ плотной сборки стальных листов и наличия изоляции фактическое

сечение стержня несколько	больше
	Fc = FjK'c,
где /С; = 0,944-0,96 для	навитых	стержней и	Кс = 0,924-0,95
для шихтованных стержней при изоляции листов лаком.
Форму сечения стержня	(с учетом уменьшения		размеров транс­

форматора) принимают прямоугольной с отношением сторон ЫЬ = = 1-т-З (рис. 6.20, а). Размеры окна (d и с) выбирают в зависимости от полного сечения обмоток, которые должны быть уложены в окне, с учетом изоляции, прокладок и каналов охлаждения

S0 = cd = ZJ QI W I + Q 2 J /K 3 . о»

где К, о — коэффициент заполнения окна (обычно /С8.о = 0,27ч- 0,5).

Рис. 6.20. К расчету трансформатора:

а — размеры магнитопровода; б и в — размещение обмоток в окне

Из условий экономичного раскроя стандартного листа стали соотношение сторон окна cld принимают в пределах 1—2,5. Далее проверяют укладку меди в окне с одновременным установлением раз­ меров катушек первичной обмотки и дисков вторичного витка (рис. 6.20, б и в). Между катушками первичной обмотки трансфор­ матора оставляют зазор Дп = 104-14 мм для размещения отводов и клиньев. Внутренний размер изолированной катушки по ширине

выбирают	на	8—15	мм	больше ширины	стержня: 61К = Ъ +	(8ч-
15) мм, а	по	длине	на	20—40 мм: А1к =	Л + (204-40) мм для	уста­

новки клиньев и свободного надевания катушек. Радиальный размер катушки hx

hx — WK (яи +	6) + Д,	-
где wH— число витков в катушке;	аи — толщина	обмоточного про­

вода с изоляцией, мм; 6 — толщина межвитковой изоляции, мм;

Д= 7ч-12 мм — суммарная толщина наружной изоляции катушки. Толщина катушки

^1 =	+ ^и»
где Ьп — высота провода с изоляцией;		Аи — суммарная толщина на­
ружной изоляции.
Высота катушки в месте вывода
Д,н =	A i ~Ь
где Д ь — суммарная толщина	вывода	с изоляцией.
Внутренний размер дисков вторичного витка выбирают м еньш е
по ширине на 2—3 мм, а по длине на		1—2 мм внутренних размеров

катушек. Радиальный размер диска принимают больше радиального размера катушек с учетом припаянных трубок охлаждения.

При проверке укладки катушек должно быть соблюдено условие

	сЗ > //0 + (6ч-	12) мм,	(6.17)
где Н0 = 2^1 +	Д 2 + 2/<дД12 +	(/Сд — 1) Д п — полная	высота

обмоток в окне; Д 2 — толщина диска вторичной обмотки; Д 12 — т о л ­ щина изоляционных прокладок между первичной и вторичной о б­ мотками; /Сд — число дисков вторичной обмотки.

Если условие (6.17) не выполняется, уточняют размеры окна. Далее выполняют проверочный расчет трансформатора для опре­

деления его потерь, КПД и условий		охлаждения.
Ток холостого хода	________
70 =	} / /оа +	/ор*
Активную составляющую тока / оа		определяют по формуле
Л)а ~	K Q P o/t/lT,

где Р0 = p0Gm — потери холостого хода, Вт; р0 — удельные потери

(рис.

6.21)

в

стали,

Вт/кг;

Gm — масса

стали

магнитопровода,

кг;

Ко ~

1,2 — коэффициент добавочных потерь.

ток)

определяют

по

Составляющую тока / ор

(намагничивающий

формуле

f o p

=

{ f f p p h p .

М+ # бя6105)/(/(> 1 Н/ 2 ) ,

где ЯСр/ср. м — магнитодвижущая

сила,

необходимая для

создания

магнитного

потока

в

магнитопроводе,

Л;

Яср — напряженность

магнитного

поля

на

1 см длины стали (А/см), определяется по гра­

фику

на рис. 6.22;

/ср. м — средняя длина

магнитной

силовой

ли­

нии, см (см. рис. 6.20,

б); # б « В„/р0 — напряженность магнитного

поля в стыке,

А/см;

п и 6 — число и размер

(6 = 0,005 см) зазоров

в магнитной

цепи;

Кг— коэффициент,

учитывающий

уменьшение

тока холостого хода из-за наличия высших гармоник.

быть опреде­

Для индукций 1,2—1,8 Тл коэффициент Кг может

лен по соотношению

Кг = 1/(1,9 — 0,8£„) = 1,06 -г- 2,17.

Относительное значение

тока

холостого

хода

*’о =

/ 01

% / Л дл. н

не должно

быть

больше значений

(ГОСТ 297—80):

50 % при

токе

/ 2Дл. н до 2500 А;

32

%

при токе / 2ДЛ. н до 5000

А;

20 %

при

токе

Рис. 6.11. Зависимость удельных по­ терь мощности Я , в магнитопроводе от индукции В :

1 — сталь 1211; 2 — сталь 1511; 3 — сталь 3413; толщина листов 0,5 мм

Рис. 6.22. Зависимость индукции от напряженности магнитного поля:

1 — сталь 1511; 2 — сталь 1211; 3 — сталь 3413; толщина листов 0,5 мм

/ 2ЛЛ. и свыше 5000 А. В случае получения тока i0 более допустимого сечение стержня магнитопровода пересчитывают с уменьшением зна­

чений	расчетной индукции.
Активные сопротивления обмоток
	г 1т = P l t f m / l c p ^ m A /l И г 2т = р 2 ^ п 2 /а с р ^ 2 /? 2 »
где	— удельное электросопротивление материала первичной	об­
мотки при 75 °С для изоляции класса А; при 90 °С — для класса		Е;

при 100 °С — для класса Вит . д.; ра — удельное электросопротивле­ ние для материала вторичной обмотки при 40 °С (при водяном охла­ ждении независимо от класса изоляции); /1ср и /2ср — средняя длина одного витка обмоток; /Сп1 и /Сп2 — коэффициенты поверхност­ ного эффекта.

Потери мощности в обмотках при номинальном режиме работы

Р\т = ?\у!1н> Р2т ~ Г2тIсв. н И Рк = Р jT-f- Р2 т

Приведенное к первичной обмотке индуктивное сопротивление обмоток трансформатора с дисковыми обмотками при симметричном их расположении

		*; = 25/iD®i„6b10-8 /(p/s),
где D = hY +		bU{ — расстояние между серединами		обмоток в окне,
см;	р — число	групп катушек;	6S— эквивалентное	расстояние ме­
жду	первичной и вторичной		обмотками, см;

бз = А12 + (Ai + Д2/2)/3;

ls — расчетная длина средней силовой линии магнитного потока рассеяния;

Is = hJW — (Д12 + Ai + Д2/2)/(лЛ1) ].

Полученное значение х'т увеличивают в 1,2—1,4 раза для учета влияния выводов вторичной обмотки. Полное индуктивное сопро­ тивление обмоток, приведенное к вторичной обмотке,

= (1,2-ь м ) *;/»?„•

Коэффициент мощности машины при номинальной нагрузке

COS Ф = (г ээ -f- Г2к)/ \ / (гээ “ Ь г2к)2 ~\~ Х2н\

КПД трансформатора

	Л =	1 ~ [ Ц P / ( U 2TI CВ. нc o sф + £		Р ) ]	« 0,9 + 0,96,
где	£ Я =	Р 0 + Р н — суммарные	потери	в	меди и стали; U 2T «
~	^ 2он — напряжение на зажимах		вторичной обмотки трансформа­
тора при номинальной нагрузке.
	Количество воды, необходимое для охлаждения трансформатора,

<2Ж= 0,24Я К. дл/Д 7\

rfT *1Т Г2Т I гдк 1

л

! 0Л

io\ \ \ \

•1 %.

'c s

' 1Н

Ё ,

j

\

/ о

^ 5

-----------1____________

Рис. 6.23. К примеру расчета трансформа­

тора:

а — полная Т-образная схема замещения электри­

ческой части

машины; б — векторная

диаграмма

где Q)l( — расход воды, см3/с; Р„. дл=

=

V ПВЦОО, Вт; ДТ=(5Ч- Ю) °С—

перепад температур входящей и вы­

ходящей воды.

охлаждения dT

Диаметр

трубки

(см)

обычно

равен

толщине

диска.

Скорость

воды в трубке

v =

0,04(2ж/(л d|) <

3 м/с.

Для упрощения

анализа

электро­

магнитных процессов

в трансформа­

торе

и

для

расчета

электрической

части машин трансформатор СТр,

вторичный контур ВК и свариваемые

детали заменяют эквивалентной

схе­

мой замещения (рис. 6.23, а) и строят

для

нее

векторную

диаграмму (ВД)

(рис. 6.23,

б).

Исходные

данные для

^

построения ВД: сварочный

ток

/ св;

активные

(г1х,

г2т,

гв. н и

гээ) и

ин­

ления;

дуктивные

(*1Т

х2ти хв. к) сопротив­

коэффициент трансформации

Кс =

составляющие

/ оа

и /ор

тока

холостого

хода

и

др. Для

построения

ВД

определим

параметры

схемы

замещения

'ээш 1и,

Г 0 „ =

Г в. к^1н»

Г21 = r.*w lm

■*в.к — Хв

к^1н*

Построение ВД

электрической

части

машины

начинают либо

с вектора амплитуды

Фт основного магнитного потока,

располагая

его по горизонтальной оси, либо с вектора тока Гсв или вектора UэЭ. Для схемы замещения (рис. 6.23, а) построение ВД начнем с вектора

тока	/св =	— / св. Jw\n. Направим вектор тока	Гсв из точки (Г(рис.
(рис.	6.23,	б) под углом 43° (обычно 40—50°)	к вертикальной оси

(третий квадрант). Масштабы токов и напряжений

указаны'

на

рис.

6.23, б.

Согласно уравнению электрического состояния для сварочной

цепи

(рис. 6.23, а)

Ё 2 =

^ 2 0 =

^ 2 т Л : в +

* 2 т Л : в “ 1“ ^ в . к ^ с в “ Ь * в . к Ё в

+

^ э з

отложим

сумму векторов

О'ээ и гв. к /св

из точки

0

параллельно

вектору

тока

/св-

С конца вектора г'в. КГСВ под углом 90°

(перпендикулярно

вектору

тока

/св)

проводим

вектор

х'в кГСв- Вектор

напряжения

U2Т равен

сумме

трех векторов:

U 2т — ^ээ^св ”1“ Гв. к^св

Хв. к^св*

С

конца

вектора Uiт

проводим вектор

(параллельно

вектору

тока

/св) Г2Т/св и с его конца (перпендикулярно вектору тока i'CB

—

вектор

*2Т/св.

Соединив точку 0 с концом

вектора

*2Т/св,

получим

вектор

Ё'2 = Ё\ = 0 2 0 - Далее из точки 0 проводим вектор

основного

магнитного потока

(перпендикулярно

вектору

Ё '2),

вектор

/оР

(параллельно вектору Фш) и вектор / оа (перпендикулярно вектору Фш).

Строим	вектор / 0 =		/ оа +	/ ор-		с	конца		^ вектора	/0 в про­
водим	вектор — /св и		строим		вектор		тока		/ 1Н = / 0 +	(—/«).
Уравнение		электрического			состояния			для	первичной	обмотки
		U Vr = —		E i	г1т/ 1н +			х1т/ 1п,
где Е\	=						вектора — Ё1У проведенного
Построение		вектора	£/1т	начнем		с

из точки 0; с его конца параллельно вектору тока / ш проводим век­

тор г1т/ 1я и	с его конца		(перпендикулярно	вектору тока		/ 1н) —
вектор х1т +	ЛнСоединив конец вектора х1т/ 1н с точкой 0, получим
вектор 0 1Т. Отметим угол			ф2 между векторами	U2тf	и Дв и	угол cpi
между векторами		(У1т и / 1н.			низкочастотных,
Особенности		расчета	трансформаторов машин

с выпрямлением тока во вторичном контуре и конденсаторных.

Расчет сварочных трансформаторов этих машин выполняют в ос­ новном по приведенным выше формулам; однако в определении коэффициента трансформации, сечений витков и стержней магнитопроводов имеются отличия.

При расчете трансформатора низкочастотной машины по исход­ ным данным (максимальный сварочный ток / свтах и длительность его протекания /св, индуктивность L2 и активное сопротивление де­ талей и вторичного контура г2 = гдЭ+ гв. „, выпрямленное на­ пряжение Uld) находят вначале вторичное напряжение

U2d= ^2^св шах