Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследования 9
1.1 Обоснование необходимости восстановления и ремонта сельскохозяйственной техники в современных условиях 9
1.2 Характерные неисправности деталей сельскохозяйственной техники и электродуговые технологии для их восстановления 15
1.3 Анализ источников питания сварочного оборудования, применяемого для восстановления и ремонта сельскохозяйственной техники 28
1.4 Влияние числа фаз на качество и эффективность процесса преобразования электрической энергии в сварочных выпрямителях 34
1.5 Выводы и задачи исследований 37
2 Схемотехнические основы построения силовых полупроводниковых выпрямителей на основе многофазных трансформаторов 39
2.1 Принципы построения многофазных трансформаторов 39
2.2 Конструктивные схемы ТВП 53
2.3 Многофазные сварочные выпрямители на основе ТВП 61
2.4 Выводы 64
3 Математическая модель многофазного сварочного выпрямителя на основе ТВП 66
3.1 Схема замещения и уравнения состояния МСВ 66
3.2 Аналитические выражения для магнитных потоков в девятифазном ТВП на холостом ходу 76
3.3 Параметры вращающегося магнитного поля ТВП 84
3.4 Коррекция вращающегося магнитного поля ТВП 89
3.5 Фазные ЭДС вторичной обмотки ТВП на холостом ходу 94
3.6 Выводы 98
4 Методика и результаты экспериментальных исследований многофазного сварочного выпрямителя на основе ТВП 99
4.1 Программа исследований 99
4.2 Описание экспериментальной установки 99
4.3 Результаты экспериментальных исследований и оценка их сходимости с результатами математического моделирования 104
4.4 Выводы 129
5 Экономическая эффективность многофазного сварочного выпрямителя на основе ТВП 130
5.1 Расчетная цена разработанного устройства 130
5.2 Расчет основных экономических показателей 131
5.3 Оценка энергетической эффективности разработанного устройства... 134
5.4 Выводы 137
Основные выводы по работе 138
Литература 141
- Характерные неисправности деталей сельскохозяйственной техники и электродуговые технологии для их восстановления
- Конструктивные схемы ТВП
- Аналитические выражения для магнитных потоков в девятифазном ТВП на холостом ходу
- Описание экспериментальной установки
Введение к работе
Переход агропромышленного комплекса России на ведение хозяйства в условиях частной собственности на землю и средства сельскохозяйственного производства сопровождался значительным уменьшением машинотракторного парка сельскохозяйственных предприятий, что привело к увеличению удельной посевной нагрузки на технику и, как следствие, - к ее повышенному износу. В этих условиях проблема ремонта сельскохозяйственной техники с применением электродуговых технологий, в том числе — сварочных и (или) наплавочных работ, становится особенно острой [66, 67].
Значительный вклад в науку и практику применения электрической дуги в различных областях производства, в том числе и для восстановления деталей и ремонта сельскохозяйственных машин сваркой и наплавкой, внесли многие отечественные ученые: Е.О. Патон, Б.Е. Патон, М.И. Черновол, Н.И. Доценко, В.И. Черноиванов, Е.Л. Воловик, Н.И. Богатырев, В.А. Кобозев, В.В. Коваленко, М.А. Мельников и др. [9, 37, 38, 46, 47, 48, 60, 92, 93].
В настоящее время в качестве источников питания оборудования для электродуговой сварки- и наплавки используются преимущественно трехфазные сварочные выпрямители разработки 60...70-х годов прошлого века [49], энергетические характеристики (особенно в части КПД и коэффициента мощности) и сварочные свойства которых существенно уступают современным аналогам [50].
Применение устаревшего оборудования приводит к снижению качества восстановительных и ремонтных работ при завышенном уровне энергопотребления и, в конечном итоге, - к увеличению затрат на ремонт сельскохозяйственной техники. Сложившаяся в данной области ремонтного производства ситуация дополнительно усугубляется особенностями построения и современного состояния сельских электрических сетей, которые из-за своей большой протяженности и, как правило, недостаточной пропускной способности оказываются очень чувствительными к такой специфической нагрузке, как электродуговая сварка и наплавка [65].
Следует также отметить, что значительный (более 60 %) дефицит генерирующих мощностей в Краснодарском крае [68] и возникающие по этой причине частые ограничения электропотребления вынуждают многих сельскохозяйственных производителей приобретать автономные источники питания. Обычно это бензиновые или дизельные электростанции мощностью от 5 до 200 кВт. При этом электросварочное оборудование часто оказывается соизмеримым по мощности с данными источниками, что при использовании обычных трехфазных сварочных выпрямителей приводит к недопустимым искажениям кривой напряжения этих источников и ограничивает их потенциальные возможности по электроснабжению других электроприемников [69].
Таким образом, исследования и разработка перспективных источников питания сварочного оборудования для сельскохозяйственного ремонтного производства являются актуальными.
Цель диссертационной работы - повышение энергетической эффективности сварочного оборудования при восстановлении и ремонте сельскохозяйственной техники в условиях ремонтных предприятий (мастерских).
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи исследований:
провести анализ оборудования для восстановления и ремонта деталей сельскохозяйственной техники электродуговой сваркой и наплавкой, определить пути повышения его технико-экономических показателей;
проанализировать принципы и схемотехнические основы построения многофазных трансформаторов для сварочных выпрямителей;
разработать принципиальную схему сварочного выпрямителя на основе трансформатора с вращающимся магнитным полем (ТВП);
разработать схему замещения и математическую модель многофазного сварочного выпрямителя (МСВ) на основе ТВП и проанализировать ее параметры;
разработать математическую модель ТВП на холостом ходу;
- разработать методику расчета ТВП;
провести экспериментальные исследования разработанного выпрямителя в различных режимах работы;
проверить соответствие результатов математического моделирования и экспериментальных исследований;
оценить электромагнитную совместимость разработанного МСВ с источниками питания различной мощности;
выполнить технико-экономическое обоснование эффективности разработки.
Объект исследования - многофазный сварочный выпрямитель при питании от сети неограниченной и соизмеримой мощности.
Предмет исследования - рабочие процессы в системе «источник электропитания - сварочный выпрямитель - нагрузка».
Методы исследования базируются на теории электрических и магнитных цепей, теории сварочных процессов, численных методах математического моделирования, теории вероятностей и математической статистики.
Экспериментальные исследования проводились с использованием специально разработанного стенда, современных информационных технологий и оборудования для регистрации и обработки данных.
Научная новизна работы заключается в следующем:
разработана новая конструкция многофазного трансформатора с вращающимся магнитным полем и принципиальная схема сварочного выпрямителя на его основе;
разработана математическая модель МСВ на основе ТВП для исследования его работы в различных режимах;
разработана методика расчета параметров ТВП;
- выполнена оценка электромагнитной совместимости разработанного
сварочного выпрямителя с источниками питания различной мощности.
Практическая значимость результатов работы:
- предложена новая конструкция ТВП для сварочных выпрямителей,
отличающаяся простотой технологии и практически полной симметрией маг-
нитных и электрических цепей;
предложены способы витковой и параметрической коррекции магнитных потоков в ТВП, обеспечивающие улучшение качества преобразования электрической энергии в МСВ;
разработана принципиальная электрическая схема девятифазного сварочного выпрямителя, которая позволяет повысить его КПД до 10%, коэффициент мощности - на 10-15%) и снизить электропотребление на 15-20% по сравнению с ближайшими аналогами;
разработана экспериментальная установка для исследования МСВ в различных режимах его работы.
Реализация и внедрение результатов работы.
По результатам исследований на предприятии ДОАО «Электрогаз» ОАО «Газпром» (г. Краснодар) освоено серийное производство сварочных выпрямителей типа МСВ-201 и МСВ-301, которые используются на предприятиях АПК при ремонте деталей сельскохозяйственной техники.
Внедрение двух выпрямителей МСВ-301 в Центральной ремонтной мастерской ЗАО «Кубань» и одного выпрямителя МСВ-301 в машинно-тракторной мастерской крестьянского хозяйства Стороженко А.П. «АСТОР» (Кореновский район Краснодарского края) показало высокую эффективность их работы и соответствие требованиям сельскохозяйственного производства.
Производственные испытания четырех полуавтоматов ПДГМ-301 с источниками питания МСВ-301 на предприятии «СЕТАГРОСЕРВИС» (п.г.т. Покровское, Орловской области) в период с февраля по сентябрь 2007 г. показали, что данные полуавтоматы имеют более высокие энергетические и эксплуатационные показатели, чем полуавтоматы ПДГ с источниками питания ВДУ-3020, отвечают условиям сельскохозяйственного производства и могут быть рекомендованы для внедрения на ремонтных предприятиях АПК.
Методика расчета ТВП и его математическая модель применяются в разработках сварочного оборудования ДОАО «Электрогаз» ОАО «Газпром», а также используются в учебном процессе на факультете энергетики и электри-
фикации КубГАУ по дисциплине «Электротехнология». Образцы сварочного оборудования экспонировались на специализированной выставке-ярмарке «Сварка-2007» (г. Сочи, 10-12 мая 2007 г.) и были удостоены медали «За отличное качество продукции».
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований доложены и одобрены на II международной научно-практической конференции «Образование и наука без границ-2006» (г. Днепропетровск, 2006 г.), а также на научно-практических конференциях ГОУ ВПО КубГАУ (2005-2007 г.г.) и ГОУ ВПО КубГТУ (2006-2007 г.г.).
Публикации результатов работы. По теме диссертационной работы опубликовано 18 работ, в том числе - 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, получено 5 патентов РФ на полезные модели и изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, общих выводов, списка литературы, включающего 101 наименование, и приложений. Общий объем диссертации составляет 179 страниц машинописного текста, включая 59 рисунков, 30 таблиц, 28 страниц приложений.
На защиту выносятся следующие положения:
новая конструкция многофазного трансформатора, защищенная патентом РФ на изобретение № RU 2310939, МІЖ II 01 F 30/14, Н 02 М 5 /14.
математическая модель многофазного сварочного выпрямителя на основе ТВП;
математическая модель ТВП;
методика расчета ТВП;
результаты экспериментальных исследований многофазного сварочного выпрямителя на основе ТВП;
новые схемотехнические решения на устройство полуавтоматической дуговой сварки в среде углекислого газа, защищенное патентом РФ на полезную модель № RU 55 318, МІЖ В23К 9/00, 9/173, и многопостовой сварочный выпрямитель, защищенный патентом РФ на полезную модель № RU 57 175, МІЖ В23К 9/00.
Характерные неисправности деталей сельскохозяйственной техники и электродуговые технологии для их восстановления
Перечень деталей сельскохозяйственной техники из различных видов стали, подлежащих восстановлению с применением электродуговых технологий, представлен в таблице 1.8. При этом до 77% от общего объема работ выполняется с применением электродуговой наплавки [17, 18, 67, 75].
Согласно [17, 67] около 50%) неисправностей деталей сельскохозяйственной техники приходится на износ цилиндрических поверхностей, который колеблется в пределах 0,01-4,0 мм. Около 80%) этих деталей имеют износ рабочей поверхности до 0,6 мм.
Наибольшую остаточную стоимость из номенклатуры восстанавливаемых деталей имеют шлицевые и гладкие валы. При этом централизованному восстановлению подлежат 124 наименования шлицевых и 46 наименований гладких валов сельскохозяйственной техники, а себестоимость их восстановления составляет около 70% от стоимости новых деталей, что являє гея суще ственным экономическим резервом сельскохозяйственного производства.
Эти валы изготавливают из малоуглеродистых сталей (10, 15, 20), из среднеуглеродистых конструкционных или легированных сталей (35, 40, 45, ЗОХ, 40Х, 45Х, 45Г2), а в ряде случаев - из цементируемых сталей (20Х, 20ХГМР, 25ХГТ). Для повышения поверхностной твердости до (40-60) HRC эти валы при изготовлении проходят химико-термическую обработку. В процессе эксплуатации сельскохозяйственной техники возникают следующие характерные дефекты рабочих поверхностей валов: - износ шеек под подшипники ( 0,3 мм); - износ шеек, сопрягаемых с сальниками (0,6-0,9 мм); - износ боковой поверхности шлицов (0,6-0,9 мм); - сминание мелкозубых шлицевых поверхностей ( 2 мм); - сминание резьбовых участков (0,2-0,9 мм); - износ посадочных поверхностей (0,2-0,3 мм); - износ шпоночных пазов (0,3-0,5 мм).
При износе рабочих поверхностей валов более 0,3 мм применяется электродуговая наплавка [17, 18, 75]. Наплавка - это процесс нанесения расплавленного металла на поверхность изделия, нагретую до оплавления. Наплавленный металл образует одно целое с основным металлом и связан с ним весьма прочно и надежно. Путем наплавки можно получать непосредственно на рабочей поверхности изделия сплав, обладающий желательным комплексом свойств, износостойкостью, кислотоупорностью, жаростойкостью и т. п. Вес наплавленного металла не превышает нескольких процентов от веса изделия. При ремонте наплавкой обычно восстанавливаются первоначальные размеры и свойства поверхности деталей. Схемы основных способов наплавки показаны на рисунке 1.1: а - угольным или графитовым электродом 1 за счет расплавления слоя сыпучего зернистого наплавочного сплава 2\ б ручной дуговой покрытым элек-Рисунок 1.1- Способы электродуговой тродом 1 с легирующим покры-наплавки тием 2; в - неплавящимся вольфрамовым электродом 1 в защитных инертных газах с подаваемым в зону дуги присадочным прутком 2; г — плавящимся электродом 1 в защитных (инертных, активных) газах; д - автоматическая дуговая плавящейся электродной (обычно легированной) проволокой / под флюсом 2; е - в защитных газах или под флюсом плавящейся катаной, литой или прессованной из порошков лентой 1; ж — расплавлением плазменной струей плазмотрона 1, предварительно наложенного литого или спеченного из порошков кольца 2 наплавочного материала; з - электрошлаковая наплавка плавящимися электродами 1 с перемещаемым составным медным ползуном 2.3 — наплавляемая деталь, 4 - наплавленный слой.
Выбор рационального способа и технологических приемов наплавки определяется необходимостью получения детали с требуемыми размерами и наплавленного слоя с требуемыми свойствами. При этом должна обеспечиваться максимальная производительность и экономичность процесса, а также должны выполняться следующие требования: - минимальное проплавление основного металла; - минимальное значение остаточных напряжений и деформаций металла в зоне наплавки; - уменьшение до приемлемых значений припусков на последующую обработку деталей.
Приведенные требования отличаются жесткостью и противоречивостью, поэтому их выполнение в полном объеме обеспечивается не при всех способах наплавки.
В конечном итоге, выбор способа наплавки определяется возможностью получения наплавленного слоя требуемого состава и механических свойств и зависит от характера и величины износа. На выбор способа наплавки также оказывают влияние размеры и конфигурация деталей, производительность способа и доля основного металла в наплавленном слое.
Конструктивные схемы ТВП
Простейшая конструкция ТВП представлена на рисунке 2.12 [33]. Его магнитная система состоит из внешнего 1 и внутреннего 2 магнитопроводов. Взаимно неподвижные первичная 3 и вторичная 4 обмотки ТВП с целью уменьшения потоков рассеяния располагаются в пазах одного из магнитопроводов (например, внутреннего 2), а другой магнитопровод (например, внешний 1) выполняется без пазов в виде гладкого кольца, которое напрессовывается на внутренний магнитопровод после укладки обмоток.
Первичная обмотка ТВП ничем не отличается от об,мотки статора асинхронной машины и обычно выполняется с числом пар полюсов р\ = \, числом фаз т\=3. Она присоединяется к сети трехфазного переменного тока с частотой/] и создает магнитное поле, вращающееся с угловой частотой 0.]-2п/]/р}. Линии магнитной индукции этого поля показаны на рисунке 2.12 в виде замкнутых кривых. Вторичная обмотка выполняется с числом пар полюсов рг—р\ и числом фаз тп, которое не равно т\. При этом в фазах вторичной обмотки индуцируется симметричная т2-фазная система ЭДС.
Несмотря на кажущуюся простоту описанной конструкции ТВП, она отличается сложностью технологии изготовления, которая обусловлена сложностью укладки обмоток в пазы традиционным для асинхронных машин способом. К другим недостаткам следует отнести повышенный расход провода на лобовые части и нарушение электрической симметрия ТВП, вызванное различной длиной лобовых частей обмоток. Достаточно проблематичным является также и обеспечение равномерного зазора между внешним и внутренним магнитопроводами, из-за чего в подобных ТВП возникает дополнительная несимметрия многофазной системы ЭДС [77].
В этой связи практический интерес представляют конструкции ТВП, предложенные профессором Н.Н. Левиным и учеными его научной школы, -В.И. Шеленком, А.В. Якушковым, Н.А. Сингаевским и др. Краткое описание и анализ указанных конструкций приведены ниже.
Отсутствие в ТВП вращающихся частей позволяет выполнять его маг-нитопроводы ромбовидными или прямоугольными [1,2].
В качестве примера на рисунке 2.13 представлен ТВП с прямоугольным витым магнитопроводом. Такое схемотехническое решение упрощают технологию производства ТВП, обеспечивают возможность применения электротехнических материалов с улучшенными характеристиками, и, как следствие -повышение удельной мощности и коэффициента полезного действия ТВП.
Основным недостатком таких трансформаторов является асимметрия магнитной системы, вызывающая неравномерное вращение магнитного поля. Вследствие этого индукция вдоль магнитной системы изменяется с различной скоростью, что приводит к снижению качества преобразования электрической энергии. По этой причине в работе [41] условиям обеспечения симметрии магнитной цепи для рассматриваемых конструкций ТВП уделено большое внимание. При выполнении этих достаточно сложных условий любая отлич -55 ная по конфигурации от традиционной для асинхронных машин магнитная система может приниматься условно симметричной, создающей равномерно вращающееся магнитное поле.
Указанные условия предполагают строгое обеспечение определенных геометрических соотношений между параметрами зубцовой зоны и отдельными участками ярма ТВП, поэтому их выполнение на практике связано с большими трудностями.
Отмеченных выше недостатков в значительной степени лишены конструкции ТВП, магнитные системы которых подобны магнитной системе аксиального асинхронного двигателя. В настоящее время разработано несколько таких конструкций ТВП, одна из которых изображена на рисунке 2.14 [53].
ТВП состоит из кольцевого витого внутреннего магнитопровода /, по торцам которого выполнены прямоугольные пазы 2. В этих пазах, охватывая внутренний магнитопровод, размещаются катушки первичной, например, трехфазной и вторичной - / -фазной - обмоток 3. Со стороны торцов к внут -56 реннему магнитопроводу через немагнитные прокладки 4 примыкают два боковых витых кольцевых магнитопровода 5.
Несомненным достоинством этих конструкций ТВП является практически полная симметрия как магнитных, так и электрических цепей. Определенными преимуществами обладает и технология их изготовления.
К недостаткам данной конструкции следует отнести выполнение пазов на торцах среднего магнитопровода фрезерованием, что предопределяет высокие производственные энергозатраты и безвозвратные отходы в стружку электротехнической стали. Кроме того, в процессе фрезерования происходит замыкание витков ленты магнитопровода по фрезерованным поверхностям, которое приводит к увеличению потерь в стали на вихревые токи. Недостатком является и то, что магнитный поток в зубцах направлен перпендикулярно направлению проката ленты электротехнической стали, из которой посредством навивки изготавливается средний магнитопровод. Как известно, магнитное сопротивление холоднокатаной электротехнической стали в поперечном направлении в 1,5-2 раза выше, чем в направлении проката. Поэтому сопротивление магнитному потоку в зубцовой зоне трансформатора, изготавливаемого подобным образом, оказывается во столько же раз больше, чем в ярме среднего магнитопровода, при их одинаковых сечениях.
Для выравнивания магнитных сопротивлений зубцовой зоны и ярма сечение зубцов в этом случае приходится соответственно увеличивать, что-приводит к увеличению массы трансформатора.
Кроме того, фрезерованные зубцы имеют в поперечном сечении форму, близкую к трапецеидальной, при которой их ширина в радиальном направлении оказывается различной - возрастающей от центра к внешней границе магнитопровода. При этом магнитная индукция в каждом зубце также оказывается неодинаковой вдоль его длины, что обуславливает дополнительные потери энергии в зубцовой зоне и рост нелинейных искажений ЭДС, наводимых во вторичной обмотке.
Аналитические выражения для магнитных потоков в девятифазном ТВП на холостом ходу
Простейшая конструкция ТВП представлена на рисунке 2.12 [33]. Его магнитная система состоит из внешнего 1 и внутреннего 2 магнитопроводов. Взаимно неподвижные первичная 3 и вторичная 4 обмотки ТВП с целью уменьшения потоков рассеяния располагаются в пазах одного из магнитопроводов (например, внутреннего 2), а другой магнитопровод (например, внешний 1) выполняется без пазов в виде гладкого кольца, которое напрессовывается на внутренний магнитопровод после укладки обмоток.
Первичная обмотка ТВП ничем не отличается от об,мотки статора асинхронной машины и обычно выполняется с числом пар полюсов р\ = \, числом фаз т\=3. Она присоединяется к сети трехфазного переменного тока с частотой/] и создает магнитное поле, вращающееся с угловой частотой 0.]-2п/]/р}. Линии магнитной индукции этого поля показаны на рисунке 2.12 в виде замкнутых кривых. Вторичная обмотка выполняется с числом пар полюсов рг—р\ и числом фаз тп, которое не равно т\. При этом в фазах вторичной обмотки индуцируется симметричная т2-фазная система ЭДС.
Несмотря на кажущуюся простоту описанной конструкции ТВП, она отличается сложностью технологии изготовления, которая обусловлена сложностью укладки обмоток в пазы традиционным для асинхронных машин способом. К другим недостаткам следует отнести повышенный расход провода на лобовые части и нарушение электрической симметрия ТВП, вызванное различной длиной лобовых частей обмоток. Достаточно проблематичным является также и обеспечение равномерного зазора между внешним и внутренним магнитопроводами, из-за чего в подобных ТВП возникает дополнительная несимметрия многофазной системы ЭДС [77].
В этой связи практический интерес представляют конструкции ТВП, предложенные профессором Н.Н. Левиным и учеными его научной школы, -В.И. Шеленком, А.В. Якушковым, Н.А. Сингаевским и др. Краткое описание и анализ указанных конструкций приведены ниже.
Отсутствие в ТВП вращающихся частей позволяет выполнять его маг-нитопроводы ромбовидными или прямоугольными [1,2].
В качестве примера на рисунке 2.13 представлен ТВП с прямоугольным витым магнитопроводом. Такое схемотехническое решение упрощают технологию производства ТВП, обеспечивают возможность применения электротехнических материалов с улучшенными характеристиками, и, как следствие -повышение удельной мощности и коэффициента полезного действия ТВП.
Основным недостатком таких трансформаторов является асимметрия магнитной системы, вызывающая неравномерное вращение магнитного поля. Вследствие этого индукция вдоль магнитной системы изменяется с различной скоростью, что приводит к снижению качества преобразования электрической энергии. По этой причине в работе [41] условиям обеспечения симметрии магнитной цепи для рассматриваемых конструкций ТВП уделено большое внимание. При выполнении этих достаточно сложных условий любая отлич -55 ная по конфигурации от традиционной для асинхронных машин магнитная система может приниматься условно симметричной, создающей равномерно вращающееся магнитное поле.
Указанные условия предполагают строгое обеспечение определенных геометрических соотношений между параметрами зубцовой зоны и отдельными участками ярма ТВП, поэтому их выполнение на практике связано с большими трудностями.
Отмеченных выше недостатков в значительной степени лишены конструкции ТВП, магнитные системы которых подобны магнитной системе аксиального асинхронного двигателя. В настоящее время разработано несколько таких конструкций ТВП, одна из которых изображена на рисунке 2.14 [53].
ТВП состоит из кольцевого витого внутреннего магнитопровода /, по торцам которого выполнены прямоугольные пазы 2. В этих пазах, охватывая внутренний магнитопровод, размещаются катушки первичной, например, трехфазной и вторичной - / -фазной - обмоток 3. Со стороны торцов к внут -56 реннему магнитопроводу через немагнитные прокладки 4 примыкают два боковых витых кольцевых магнитопровода 5.
Несомненным достоинством этих конструкций ТВП является практически полная симметрия как магнитных, так и электрических цепей. Определенными преимуществами обладает и технология их изготовления.
К недостаткам данной конструкции следует отнести выполнение пазов на торцах среднего магнитопровода фрезерованием, что предопределяет высокие производственные энергозатраты и безвозвратные отходы в стружку электротехнической стали. Кроме того, в процессе фрезерования происходит замыкание витков ленты магнитопровода по фрезерованным поверхностям, которое приводит к увеличению потерь в стали на вихревые токи. Недостатком является и то, что магнитный поток в зубцах направлен перпендикулярно направлению проката ленты электротехнической стали, из которой посредством навивки изготавливается средний магнитопровод. Как известно, магнитное сопротивление холоднокатаной электротехнической стали в поперечном направлении в 1,5-2 раза выше, чем в направлении проката. Поэтому сопротивление магнитному потоку в зубцовой зоне трансформатора, изготавливаемого подобным образом, оказывается во столько же раз больше, чем в ярме среднего магнитопровода, при их одинаковых сечениях.
Для выравнивания магнитных сопротивлений зубцовой зоны и ярма сечение зубцов в этом случае приходится соответственно увеличивать, что-приводит к увеличению массы трансформатора.
Кроме того, фрезерованные зубцы имеют в поперечном сечении форму, близкую к трапецеидальной, при которой их ширина в радиальном направлении оказывается различной - возрастающей от центра к внешней границе магнитопровода. При этом магнитная индукция в каждом зубце также оказывается неодинаковой вдоль его длины, что обуславливает дополнительные потери энергии в зубцовой зоне и рост нелинейных искажений ЭДС, наводимых во вторичной обмотке.
Описание экспериментальной установки
Экспериментальные исследования: проводились с целью проверки положения о целесообразности использования ТВП в составе сварочного выпрямителя. Для этого были проверены результаты математического моделирования девятифазного ТВП, определены фактические параметры многофазного сварочного выпрямителя типа МСВ-201 на основе ТВП и выработаньь рекомендации для усовершенствования опытно-промышленных образцов сварочных выпрямителей типа МСВ с номинальным током 300 А.
Программа экспериментальных исследований включала в себя: - осциллографирование токов и напряжений на элементах ТВП и блока управляемых вентилей (БУВ) в различных режимах работы МСВ; - определение основных параметров ТВП; - определение основных энергетических характеристик МСВ в целом; - оценку уровня электромагнитной совместимости МСВ с бензоэлектри-ческими станциями мощностью до 10 кВт.
Обмотки ТВП соединены по схеме «звезда-звезда с изолированной нейтралью», а нейтральный провод от сети используется только в цепях питания контактора и собственных нужд выпрямителя — вентиляторов системы охлаждения, силового трансформатора системы управления и сигнальных ламп.
Измерительный комплекс переменного тока (рисунок 4.3) выполнен на базе щитовых цифровых измерительных приборов типа С3020 производства ООО предприятие «ЗИП-Научприбор», г. Краснодар.
В" состав комплекса входят: три вольтметра (PV), три амперметра (РА), один трехфазный ваттметр (PW) и один трехфазный варметр (Pvar). Все приборы отличаются высокой точностью, несмотря на то, что они исполнены в щитовом варианте. Так, пределы допускаемой основной приведенной погрешности измерений вольтметров и амперметров не превышают ± 0,2 % , ваттметра - ± 0,5 %, и варметра - ± 1,0 % к номинальному значению измеряемой величины. Согласование приборов с напряжениями и токами питающей сети обеспечивается с помощью измерительных трансформаторов напряжения (TV) типа MBZV 20 и измерительных трансформаторов тока (ТА) типа УТТ5, имеющих два предела по входу - 50 А и 15 А. Плавкие предохранители (FU) необходимы для защиты трансформаторов напряжения от перегрузки.
Измерительный комплекс 4 (см. рисунок 4.1) выпрямленного тока включает в себя универсальный цифровой измерительный прибор типа РС510 действующего значения в режиме милливольтметра с шунтом 300 А, 75 мВ и вольтметр действующего значения типа Э544. Данные приборы имеют класс точности 0,5.
Для осциллографирования токов и напряжений в элементах МСВ использовался четырехканальный виртуальный осциллограф АСК-3117 (на рисунках не показан), сопряженный с персональным компьютером.
Кольцевые магнитопроводы ТВП навиты из холоднокатаной стальной ленты (сталь электротехническая 3413). Одна торцевая поверхность каждого из-четырех колец шлифована. Два кольца, склеенные между собой по нешлифованным торцевым поверхностям, образуют средний магнитопровод, к внешним шлифованным поверхностям которого ферромагнитным клеем приклеены 18 радиальных шихтованных зубцов с интервалом в 20 по дуге окружности. Два» других кольца своими шлифованными торцевыми поверхностями также приклеены к зубцам и образуют боковые магнитопроводы. Стороны зубцов, примыкающие к кольцам магнитопроводов, шлифованы. После механической обработки кольца и зубцы подвергались отжигу.
Геометрические размеры элементов магнитной системы ТВП приведены в Приложении А. Катушки первичной-обмотки. ТВП имеют 60 витков и намотаны проводом, расчетное сечение которого составляет 3,14 мм2. Катушки вторичной обмотки имеют 19 витков и намотаны медными проводами, общее расчетное сечение которых составляет 11,14 мм2. При этом сопротивление постоянному току одного луча звезды по данным измерений равно: - для первичной обмотки - не более 0,36 Ом; - для вторичной обмотки - не более 0,04 Ом.
Блок управляемых вентилей включает в себя 18 тиристоров с номинальным током 50 А и допустимым обратным напряжением 400 В, установленных на охладители. Для охлаждения ТВП и БУВ используется два однофазных электрических вентилятора — по одному на каждое из этих устройств.
Холостой ход ТВП. Исследование данного режима работы ТВП необходимо для проверки результатов, полученных при математическом моделировании его магнитной системы (см. п.п. 3.2-3.6). При этом расчетные данные по распределению магнитных потоков в магнитопроводе ТВП (см. п. 3.6) проверялись путем их сопоставления с результатами измерений и осциллографи-рования фазных напряжений вторичной обмотки ТВП на холостом ходу. С учетом того, что вольтметр и осциллограф, которые использовались при измерениях, имеют большое входное сопротивление, фазные напряжения вторичной обмотки на холостом ходу отождествлены с ее фазными ЭДС.
