Электрическая схема переключения ступеней

 

Распространена схема, позволяющая регулировать вторичное напряжение путем переключения секций первичной обмотки на параллельное и последовательное соединение (рис. 8). Вся первичная обмотка состоит из нескольких секций. Каждая секция состоит из двух частей, имеющих одинаковое количество витков, намотанных проводом одного размера и конструктивно уложенных в две совершенно одинаковые катушки. Только в этом случае активные и индуктивные сопротивление каждой части секции будут одинаковы и равномерно нагружены при их параллельном соединении. Части одной секции могут соединяться между собой последовательно и параллельно, а секции между собой всегда соединяются последовательно.

		Рисунок 7 - Схема переключения ступеней трансформатора

 

 

Витки первичной обмотки распределяются по секциям следующим образом:

I секция – две части по «П» витков в каждой;

II секция – две части по «2П» витков в каждой;

III секция – две части по «4П» витков в каждой и т.д.

Количество секций определяется требуемым числом ступеней регулирования вторичного напряжения:

при 4 ступенях – 2 секции;

при 8 ступенях – 3 секции;

при 16 ступенях – 4 секции и т.д.

 

2.5.6 Составление электрической схемы соединения витков первичной обмотки (рис. 8.) и таблицы переключения для всех ступеней:

 

№ степени	Положение ножей переключателей		U20 Х,В
			секции	витки
				2ω1+2ω2+2ω3	14П
		ω1+2ω2+2ω3	13П
			2ω1+ω2+2ω3	12П
		ω1+ω2+2ω3	11П
				2ω1+2ω2+ω3	10П
		ω1+2ω2+ω3	9П
7ном			2ω1+ω2+ω3	8П	U20НОМ
		ω1+ω2+ω3	7П

 

2.5.7 Расчет числа витков первичной обмотки и вторичного напряжения холостого хода на каждой ступени.

2.5.8 Определение первичного тока на номинальной ступени:

, (А). (24)

2.5.9 Определение расчетного первичного тока на номинальной ступени:

, (А). (25)

где ПВ – режим работы трансформатора (продолжительность включения), %. Выбирается в зависимости от назначения трансформатора.

2.5.10 Определение первичного тока на каждой ступени:

; (А), (26)

где х – номер ступени трансформатора.

2.5.11 Определение расчетного первичного тока на каждой ступени

; (А), (27)

2.5.12 Определение расчетного вторичного тока:

, (А). (28)

2.5.13 Расчет сечения проводов каждой секции первичной обмотки:

, мм², (29)

где - площадь поперечного сечения провода секции «х»; х – номер секции; - максимальный расчетный ток, протекающий через части секции «х». При определении максимального расчетного тока, ток на последней ступени в расчет не принимается; - допускаемая плотность тока для первичной обмотки (табл. 7).

 

2.5.14 Расчет сечения вторичного витка и консолей:

, мм², (30)

где - допустимая плотность тока во вторичном витке. Выбирается по табл. 8 в зависимости от принятой схемы охлаждения трансформатора.

Проверка жесткости консолей по допустимому прогибу (1 мм на 1 м длины) и усилию сжатия.

 

 

Таблица 7 - Допустимые плотности тока для проводов и выводов катушек

первичной обмотки с изоляционными материалами класса «А»

 

№	Конструктивное исполнение катушек и их охлаждение	Допустимая плотность тока, А/мм2
для проводов обмотки	для выводов
алюми-ниевых	медных	алюминиевых армированных медными накладками	мед-ных
1.	Дисковые катушки при естественном воздушном охлаждении в зависимости от поверхности охлаждения	0,8–1,0	1,2 –1,4	1,2	2,0
2.	Дисковые катушки, плотно прижатые к дискам вторичного витка с водяным охлаждением:
а) вторичный виток медный, трубки охлаждения напаяны по наружному периметру;	1,6–1,8	2,5 – 3,0	2,0	3,5
б) вторичный виток литой из АЛ-2, трубки охлаждения залиты внутрь;	1,8–2,0	3,0 – 3,3	2,0	3,5
в) вторичный виток полый, сваренный из двух пластин	2,2	3,5	2,5	3,8
3.	Дисковые катушки с водяным охлаждением, изготовленные из трубок	30 - 60	50 –80	-	-

_________________

Примечание: для первичной обмотки с изоляционными материалами класса «Е» плотности тока по пунктам I и II должны быть повышены на 10 %, для класса «В» - 15 %.

 

 

Таблица 8 - Допустимые плотности тока вторичной обмотки

с изоляционными материалами класса «А», «Е», «В»

 

Конструктивное исполнение вторичной обмотки и ее охлаждение	Плотность тока, А/мм2
1. Виток из гибких медных лент с естественным воздушным охлаждением (в зависимости от толщины пакета)	1,7 – 2,1
2. Катушки первичной обмотки – дисковые плотно прижатые к дискам вторичной обмотки:
а) виток, сваренный из медных дисков, трубки водяного охлаждения напаяны по наружному периметру;	4,0 – 5,5
б) вторичный виток литой из АЛ-2, трубки охлаждения залиты внутрь;	2,1 – 2,6
в) вторичный виток полый, сваренный из двух медных пластин с дисковыми катушками первичной обмотки с водяным охлаждением	до 60

 

2.5.15 Определение суммарного сечения первичной обмотки и вторичного витка:

g = g₁ + g₂, (31)

где ; к – количество секций в первичной обмотке.

 

2.5.16 Расчет активного и полного сечения сердечника магнитопровода. Активное сечение сердечника определяется по формуле

; см², (32)

где f – частота переменного тока, Гц; В – индукция в гауссах. Выбирается для номинальной ступени в соответствии с табл.9; Е₁ – ЭДС первичной обмотки трансформатора, В. При расчетах можно принимать Е₁ = U₁ – при электромагнитном контакторе и Е₁ = U₁ – 20 – при игнитронном контакторе.

 

 

Таблица 9 - Рекомендуемые величины индукции стали

сердечников контактных трансформаторов

Назначение трансформатора	Мощность, кВА	Сталь	Величина индукции	Приме-чание
марка	тол-щина	на номинальной ступени	на последней ступени
1	2	3	4	5	6	7
Для точечных, стыковых и рельефных машин с ПВ = 20 %	5 - 20	Э11	0,5	10000 – 12000		Сердеч-ники из стали Э310 витые, ленточные
Э310	0,35	13000 – 15000
20 - 50	Э11	0,5	12000 – 13000		Плас-тины из стали Э41 и Э11 - штампованные
Э311	0,35	16000 – 17000
50 - 100	Э11	0,5	13000 – 14000
Э310	0,35	18000 – 19000
Свыше 100	Э11	0,5	14000 - 14800
Для шовных и специальных машин с ПВ от 50 до 100 %	5 - 20	Э41	0,5	10000 – 12000		Сердеч-ники из стали Э310 витые, ленточные
Э310	0,35	16000 – 17000
20– 50	Э41	0,5	12000 – 13000
Э310	0,35	16000 – 17000
50- 100	Э41	0,5	18000 – 14000
Э310	0,35	16000 – 19000
Продолжение табл. 9
1	2	3	4	5	6	7
	Свыше 100	Э41	0,5	14000 – 14800		Плас-тины из стали Э41 и Э11 - штампованные

 

В трансформаторах стержневого типа расчетная величина активного сечения относится ко всем участкам магнитной цепи, а в трансформаторах броневого типа – к среднему стержню, на котором расположены обмотки.

При определении полного сечения сердечника необходимо учитывать коэффициент заполнения К_З, который показывает, какую часть геометрического сечения сердечника занимает активное сечение.

Коэффициент К_З зависит от толщины листов, от вида межлистовой изоляции и от плотности запрессовки.

Для лакированных сталей:

, (33)

где S_Ж – толщина отдельных листов пакета, мм (выбирается в зависимости от марки стали по табл. 9).

Таким образом, полное сечение сердечника равно:

. (34)

2.5.17 Определение размеров сердечника. Площадь окна сердечника определяется суммарной площадью обмоток g, которые необходимо разместить в окне:

; мм², (35)

где К_ЗО – коэффициент заполнения окна.

Коэффициент заполнения окна показывает, какую часть площади окна занимает непосредственно обмоточный провод. Остальная часть окна предназначается для изоляции обмоток, прокладок и воздушных зазоров между катушечными группами, а также между сердечником и обмотками. К_ЗО зависит от габаритов трансформатора и выбирается в соответствии с табл. 10.

Таблица 10

Площадь окна, мм2	Примерная площадь обмотки, мм2	Коэффициент заполнения окна КЗО
от 5000 до 8000	1350 – 2300	0,27 – 0,29
от 8000 до 13000	2400 – 4400	0,3 – 0,34
от 13000 до 19000	4550 – 8000	0,35 – 0,43
от 19000 до 27000	8200 – 12500	0,43 – 0,46
свыше 27000	не более 125000	не более 0,48

 

По рассчитанной площади окна в табл. 11 определяют размеры пластин трансформаторного железа.

2.5.18 Определение толщины пакета сердечника:

; см², (36)

где S – полное сечение сердечника, см²; 2А – ширина среднего стержня, см.

2.5.19 Определение числа пластин в пакете:

, штук. (37)

2.5.20 Разбивка первичной обмотки по катушкам. При распределении первичной обмотки по катушкам необходимо, чтобы каждая катушка изготавливалась из провода одного сечения и включала витки целых частей или нескольких секций.

Количество катушек должно быть четным и обычно выбирается в пределах от 4 до 10.

Например, обмотку, показанную на рис. 9, можно разбить на 6 катушек (по две катушки на каждую секцию), из которых две – по 4 витка (секция 1), две – по 8 витков (секция 2) и две по 16 витков (секция 3). Эту же обмотку можно разбить на 4 катушки – две по 4 + 8 витков первой и второй секции и две катушки по 16 витков третьей секции. Возможны и другие варианты.

 

Таблица 11 - Размеры магнитопроводов

И
Габа- риты	Размеры П – образных пластин, мм	Размеры пластин для ярма, мм	Площадь окна, мм2
А	Б	В	Г	Д	Е	Ж	И
I
II
III
IV
V
VI
VII
VII
Габа- риты	Размеры Ш – образных пластин, мм	Размеры пластин для ярма, мм	Площадь окна, мм2
А	Б	В	Г	Д	Е	Ж	И
I	31,5
II
III				70,5	249,5
IV

 

	Рисунок 8 - Распределение первичной обмотки по катушкам

 

 

2.5.21 Расчет размеров обмоточных проводов первичной обмотки. Толщина изолированного обмоточного провода рассчитывается для каждой катушки по формуле

; мм, (38)

где Б – ширина окна магнитопровода, мм; - число витков в катушке; - толщина изоляционной прокладки между витками, мм (табл. 12); - величина двух зазоров между сторонами катушки, ярмом и стержнем, мм; 7 – увеличение размера за счет изоляции, пропитки катушки и т.п., мм.

Толщина голого обмоточного провода равна:

а = а_ИЗ - δ_ИЗ, (39)

где δ_ИЗ – толщина изоляции выбирается по табл. 13.

Ширина голого провода каждой катушки равна:

, (40)

где - принятое сечение провода катушки.

Рассчитанные размеры проводов для каждой катушки округляются до ближайших размеров по ГОСТ 14111-86.

При выборе размеров проводов необходимо учитывать следующее:

1. Применение проводов шириной более 14,5 мм нецелесообразно из-за значительного увеличения потерь мощности.

2. Не следует выбирать провода, у которых толщина превышает ширину. Это создает затруднения при намотке и вызывает искажение формы катушки.

Для окончательно выбранных проводов определяется фактическая плотность тока (если она превышает допустимую плотность, рекомендуемую табл. 7, необходимо выбрать провод большего сечения).

 

Таблица 12 - Электроизоляционные материалы, применяемые в контактных

трансформаторах, марки провода: ПБД, АПБД, МГМ, АМ

Изоляция катушек первичной обмотки	Изоляция вторичного витка от сердечника	Допус-тимая температура нагрева первичной обмотки, 0С
между слоями	от сердечника	выводы	нару- жная	от дис- ков вторичной обмотки
Картон электроизоляционный «ЭВ» толщиной 0,2 мм	Лакоткань ЛХ толщиной 0,2 мм в полнахлеста	Гетинакс толщиной 1 мм	Картон электроизоляционный «ЭВ» толщиной 2 мм, пропитанный лаком
1 слой	2 слоя
Лента киперная толщиной 0,45 мм в полнахлеста

 

2.5.22 Определение радиальных размеров каждой катушки (рис. 10):

, (41)

где А_К – радиальный размер катушки, мм; 2 мм – толщина двух изоляционных прокладок (гильз), внутренней и наружной; 3 мм – толщина внутренней изоляции с двух сторон катушки с учетом зазоров между слоями и разбухания ее после пропитки; 2 мм – увеличение радиального размера катушки после снятия ее с оправки.

Для нормального размещения катушки в окне необходимо, чтобы Б – А_К ≥ 6 мм.

 

 

Таблица 13 - Максимальная толщина изоляции

медных и алюминиевых проводов, мм

 

Меньшая сторона сечения голой проволоки, мм	Провода, изолированные двумя слоями обмотки из хлопчатобумажной пряжи	Меньшая сторона сечения голой проволоки, мм	Провода, изолированные двумя слоями обмотки из безщелочного стекловолокна с проклейкой и пропиткой теплостойким лаком
медного ПБД	алюминиевого АПБД	медного ПСД	алюминиевого АПСД
0,33-1,95	0,27	-	0,9-1,95	0,27	-
2,1-3,8	0,33	0,33	2,1-9,8	0,83	0,83
4,1-5,5	0,44	0,44	4,0-5,6	0,44	0,44

 

2.5.23 Определение аксиального размера катушек

, (42)

 

где 3 мм – толщина наружной изоляции с двух сторон катушки с учетом зазоров между слоями изоляции и разбухания ее после пропитки.

	Рисунок 9 - Общие размеры катушки первичной обмотки

 

2.5.24 Определение общих размеров катушки

Внутренний размер катушки по ширине:

, (43)

где 2А – ширина стержня, на который одевается катушка, мм; Ж – зазор между катушкой и стержнем, равный 10 – 15 мм.

Внутренний размер по длине:

, (44)

где h – толщина пакета железа, мм; Г – зазор между катушкой и стержнем, который принимается в пределах от 20 до 43 мм (10 – 21,5 мм на сторону).

Внутренний радиус закругления принимается равным:

= 10 ÷ 15 мм.

2.5.25 Определение сечения диска вторичного витка

Число дисков вторичного витка вдвое меньше, чем количество катушек первичной обмотки. Сечение каждого диска составит:

; мм², (45)

где g₂ – сечение вторичного витка, мм²; n – количество дисков вторичного витка.

2.5.26 Определение радиального размера диска совместно с трубкой (рис. 11.)

; мм, (46)

где Б – ширина окна, мм; - зазор между диском и стержнем с одной стороны, мм; Н – зазор между трубкой и стержнем, принимается равным 4 – 5 мм.

2.5.27 Определение толщины диска

, мм. (47)

Полученная величина округляется до целого значения. Наружный диаметр трубки выбирается равным толщине диска. Не рекомендуется выбирать диаметр трубки менее 5 мм.

2.5.28 Определение радиального размера диска:

. (48)

2.5.29 Уточнение сечения одного диска вторичного витка:

. (49)

2.5.30 Уточнение сечения вторичного витка:

. (50)

2.5.31 Проверка плотности тока во вторичном витке:

. (51)

2.5.32 Определение общих размеров диска вторичного витка (рис. 11). Внутренний размер диска по ширине равен:

, мм. (52)

Внутренний размер диска по длине:

, мм. (53)

Радиус закругления углов R по внутреннему диаметру принимается равным 10 – 15 мм, по наружному контуру R’ – не менее 50 мм. Величины 2А, h, Г, Ж – те же, что и в пункте 2.5.24.

 

 

2.5.33 Определение суммарного зазора в окне:

; мм, (54)

где В – высота окна, мм; - сумма аксиальных размеров катушек первичной обмотки, мм; - сумма аксиальных размеров дисков вторичного витка, мм; - сумма толщин изоляционных шайб между катушками и дисками. Шайбы выполняются из гетинакса толщиной 1 мм.

Полученный зазор распределяется следующим образом. Зазор между крайней катушкой и ярмом 3 – 4 мм с каждой стороны. Оставшийся зазор распределяется равномерно между катушечными группами. Зазор между катушечными группами должен быть не менее 6 мм. Расположение элементов в собранном сварочном трансформаторе представлено на рис. 12.

 

 

2.5.34 Расчет выводов катушек. В контактных трансформаторах броневого типа только две лобовые части катушек находятся вне зоны окна. Из этих двух частей одна располагается со стороны контактных плит вторичного витка, и, следовательно выводы катушек первичной обмотки могут быть размещены только с другой стороны. Обычно выводы изготавливают из голой шинной меди шириной не менее 14,5 мм. Ширина вывода ограничивается их количеством, которое должна иметь одна катушка. Выбор ширины вывода производится в соответствии с рис. 13.

 

Сечение выводов каждой катушки определяется по формуле

, (55)

где - максимальный ток в данной катушке, А; - допустимая плотность тока в выводах, А/мм², выбирается в соответствии с табл. 7.

Ширина вывода с изоляцией определяется по формуле

; мм, (56)

где - расстояние между соседними выводами, принимается равным на менее 10 мм; Б_К, R – размеры катушки (рис. 13); n – количество выводов в катушке.

Ширина голого провода вывода:

. (57)

Толщина изоляции вывода с двух сторон принимается равной 3 мм. Толщина голого провода вывода:

. (58)

Окончательно размеры выводов выбираются по табл. 13 и проверяется фактическая плотность тока в них.

 

2.5.35 Определение фактического зазора между выводами соседних катушек (рис. 14). Зазор между соседними выводами в случае, когда они располагаются друг против друга (рис. 14, а), будет равен

, (59)

где - зазор между катушками, мм (по пункту 2.5.33); - толщина изолированного вывода катушки №1, мм; - толщина изолированного вывода катушки №2, мм.

Величина зазора должна быть не менее 2 мм. При малом зазоре выводы соседних катушек располагаются в шахматном порядке, как показано на рис. 14, б.

Тогда , мм. Здесь - наибольшая толщина изолированного вывода, размещенного в данном зазоре, мм.

		Рисунок 13 - Расположение выводов соседних катушек: а – друг против друга; б – в шахматном порядке

 

 

2.3.36 Определение веса сердечника. Вес сердечника определяется по формуле

; кг, (60)

где γ = 7,86 г/см³ – плотность материала магнитопровода; V_Ж – суммарный объем магнитопровода, см³.

 

2.3.37 Определение веса катушек первичной обмотки

 

Вес провода катушек каждого типа подсчитывается отдельно по формуле

; кг, (61)

где γ – плотность материала провода, г/см³ (для медного провода γ = 8,9 г/см³); - число витков в катушке; - средняя длина витка катушки, см; g_K – сечение провода, см²; К_у = 1,03 ÷ 1,08 – коэффициент, учитывающий увеличение веса провода за счет изоляции.

 

2.5.38 Определение веса дисков вторичного витка

; кг, (62)

где - число дисков вторичного витка; - сечение диска вторичного витка, см².

 

2.5. 39 Определение веса трансформатора

. (63)

2.5.40 Проектирование сварочного трансформатора производится по расчетным данным. Трансформатор должен быть изображен в двух проекциях с необходимыми размерами и сечениями.

 

2.5.41 Построение внешней нагрузочной характеристики машины по номинальной ступени, т.е. зависимость U_ЭЭ = f (I₂), которая в конкретном случае выражается так

. (64)

Кривую U_ЭЭ = f (I₂) можно построить, задаваясь различными значениями R_ДЕТ от 0 до ∞ (режим холостого хода). Внешняя характеристика выносится в графическую часть. На графике необходимо провести прямую линию, соответствующую расчетному значению R_ДЕТ и точки, соответствующие I_2СВ и I_ЭЭ. По величине I_2РАСЧ, сварочному и ковочному усилию, размерам вторичного сварочного контура выбирается сварочная машина.