Электротехнолог.установки - Камышинский технологический

МИНОБРНАУКИ РОССИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
КАМЫШИНСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ)
ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО БЮДЖЕТНОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО
УЧРЕЖДЕНИЯ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
КАФЕДРА «ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ»
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ
Методические указания по проведению
лабораторной работы № 3
Волгоград
2011
УДК 621.31 (07)
Э 45
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ: методические указания по
проведению лабораторной работы № 3 / Сост. Н. Г. Юдин, М. В. Панасенко. – Волгоград: ИУНЛ ВолгГТУ, 2011. – 15 с.
Рассмотрены основные понятия электродуговой сварки, моделирование принципа действия однофазного сварочного трансформатора,
принцип действия однофазного трансформатора, приведены принципиальные схемы режимов работы трансформатора, указан порядок выполнения работы и оформления отчёта.
Предназначены для студентов и преподавателей направления 140211.65
«Электроснабжение» (очной и заочной форм обучения).
Ил. 7.
Табл. 2.
Библиогр.: 9 назв.
Рецензент: к. т. н. А. А. Шеин
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Волгоградского государственного технического университета
© Волгоградский
государственный
технический
университет, 2011
Лабораторная работа № 3
ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНОГО СВАРОЧНОГО
ТРАНСФОРМАТОРА
Цель работы: изучить особенности работы, экспериментально исследовать технические характеристики сварочного трансформатора.
I. Основные понятия электродуговой сварки
Электродуговая сварка является одним из наиболее эффективных
экономических видов сварки для осуществления неразъемных соединений конструкций из стали и их сплавов. Этот технологический процесс
используют энергию электрического дугового разряда, возбуждаемого и
поддерживаемого в пространстве между электродом и свариваемым изделием. В процессе горения электрической дуги имеет место высокотемпературный нагрев металла вплоть до его плавления. Возбуждение и
поддержание электрической дуги обеспечивается специальным сварочным источником питания (СИП). Дуга для СИП является активной
нагрузкой. СИП к пространству между электродом и свариваемым изделием называемым межэлектродным промежутком, подводит напряжение
питания постоянного или переменного тока. Соответственно различают
СИП и сварку постоянного и переменного тока.
Сварочная дуга характеризуется зависимостью напряжения дуги
U Д , и сварочного тока I св , то есть ее вольтамперной характеристикой
U Д  f ( I св ) .
График статической вольтамперной характеристики (ВАХ) сварочной дуги для токов I св  140 А , имеет падающий характер (рис. 3.1)
0
Рис. 3.1 Статическая вольтамперная характеристика сварочной дуги
СИП постоянного тока (сварочные электромашинные генераторы,
выпрямители) поддерживают стабильное, устойчивое горение дуги на
3
всех режимах их работы. При этом необходимом и достаточном условии
устойчивого горения дуги постоянного тока является U заж  U Д .
Снижение напряжения зажигания
U заж достигается за счет улуч-
шения условий ионизации в межэлектродном промежутке путем применения электродов со специальной обмазкой – флюсом; использование
защитных газов; подключение параллельно к дуге специальных высоковольтных высокочастотных генераторов осцилляторов.
Наличие индуктивности в цепи сварки в виде дросселей также способствует уменьшению угла φ и выполнению условий непрерывного и
устойчивого горения дуги переменного тока, которое определяется как
sin φ ≥ U заж / U 2 m ≥ 0,54
(3.1)
При этом cos φ ≤ 0,85, что является вполне приемлемым условием
эксплуатации электроустановок.
К СИП предъявляется целый ряд эксплуатационных требований, в
соответствии с которыми и выбираются конкретные источники, в том
числе сварочные трансформаторы (СТ). Наряду с такими показателями:
КПД коэффициент мощности cos φ, габариты, масса, легкость зажигания
дуги и устойчивое ее горение на всех режимах сварки.
Для однопостовых СТ напряжение холостого хода U xx должно
ограничиваться
80 B и
U xx ≥ U заж . Нормируется также ограничение
тока короткого замыкания I кз в сварочной цепи в пределах I кз = (1,25÷2)
I 2 н , где I 2 н – номинальный рабочий сварочный ток дуги.
Для обеспечения устойчивого горения дуги при питании от СТ обязательным условием является соответствие формы статической ВАХ дуги (рис. 3.1) к форме внешней характеристики СИП (рис. 3.2), которая
представляет собой зависимость U 2  f ( I св ) , где I св – сварочный ток
( I св = I 2 ) трансформатора.
Различают три вида внешних характеристик СИП, в том числе и СТ
(рис. 3.2) 1 – жесткую, 2 – падающую (пологопадающую), 3 – крутопадающую.
При наиболее распространенной ручной дуговой сварке в качестве
СИП принимают СТ с полного-2 и круто-3 падающими характеристиками. Такой вид характеристик обеспечивает независящее от колебаний
напряжения сети стабильное значение I 2  I св , возможность его регулирования в зависимости от толщины свариваемых деталей. Для этого вторичная обмотка СТ выполняется секционированной. В выпускаемых се4
рийно СТ для создания необходимой крутизны падения внешней характеристики используются два пути.
Во вторичную сварочную цепь СТ с жесткой характеристикой включают дроссель с ферромагнитным сердечником, который и формирует
падающую характеристику (СТ с дросселями). Конструируются также СТ
с повышенными магнитными полями рассеяния: СТ с подвижными катушками и СТ с магнитными шунтами, разновидностью которых являются трансформаторы типа ТД с дополнительными обмотками.
При выборе СИП важно учитывать режим его работы. Наиболее характерным для работы однопостовых СТ является перемежающийся режим. Он определяется продолжительностью работы ПР и время всего
цикла tц  tсв  t xx , где tсв - время работы (сварки), t xx - время работы
СИП на холостом ходу.
ПР =
tсв /(tсв  t xx ).
(3.2)
Соответственно повторно-кратковременный режим СИП характеризуется величиной продолжительности включения
ПР = tсв /(tсв  tn ) ,
(3.3)
где
t n - время паузы, характеризуемое временем отключения СИП от
питающей сети.
1
3
2
0
Рис 3.2 Внешние характеристики сварочного трансформатора;
1 – жесткая; 2 – падающая (пологопадающая); 3 – крутопадающая
Если ПР (ПВ) отличается от номинальной, приведенной в паспорте
СИП, то величину I св , соответствующую данному значению ПР (ПВ),
можно определить как I 
св
I нсв
.
ПРн / ПР
5
(3.4)
II. Моделирование принципа действия однофазного сварочного
трансформатора
Трансформатором называют электромагнитное статическое устройство, служащее главным образом для преобразования (трансформации)
переменных напряжений и токов одних величин в другие при неизменной частоте.
Конструктивно трансформатор состоит из обмоток (катушек) и сердечника (магнитопровода), на котором расположены обмотки.
Для усиления магнитной связи между обмотками магнитопровод выполняется шихтованным (отдельных тонких листов) электротехнической
магнитомягкой стали. Это позволяет уменьшить потери на вихревые токи
и магнитный гистерезис. Обмотка, к которой подводится электрическая
энергия, называется первичной; обмотка, с которой снимается электрическая энергия, - вторичной.
По расположению обмоток на магнитопроводе различают трансформаторы стержневого и броневого типа.
Первичная обмотка с числом витков W1 подключена к источнику синусоидального напряжения u1; вторичная обмотка с числом витков W2 подключена к приемнику электрической энергии с сопротивлением Z н .
Ток i1, протекающий под действием u1 по виткам первичной обмотки,
возбудит переменный магнитный поток Ф11 = Ф1S + Ф12, который, пронизывая витки собственной обмотки, наводит в ней ЭДС самоиндукции
(е1L). Часть потока Ф11 – поток Ф12, замыкающийся по сердечнику пронизывая витки вторичной обмотки, наводит в ней ЭДС взаимоиндукции
(е2М). Под действием е2М по вторичной обмотки (при Zn ≠ ∞) потечет ток
i2, который, так же как и i1, возбудит собственный магнитный поток Ф22
= Ф2S + Ф21. Магнитный поток Ф22, пересекая собственную обмотку,
наводит в ней ЭДС самоиндукции.
Взаимодействие магнитных полей (потоков Ф11, Ф22), создаваемых токами i1, i2 приводят в конечном счете к некоторому результирующему магнитному полю, которое определяется тремя потоками Ф1S, Ф2S, Ф0 (рис. 3.3).
Приемник
S
Рис. 3.3 Принцип действия однофазного трансформатора
6
По определению поток
Ф0  Ф12  Ф21 является основным маг-
нитным потоком взаимоиндукции между обмотками трансформатора.
Магнитные потоки Ф1S и Ф2 S проходят в основном по воздуху и охватывают витки только собственных обмоток. Это магнитные потоки рассеяния обмоток W1 и W2 . Эти магнитные потоки не участвуют в передаче энергии из первичной во вторичную обмотку, но в каждой из обмоток они наводят ЭДС соответственно
E S1  4,44  fw1  Ф1S m;
(3.5)
E S 2  4,44  fw2  Ф2 S m.
Для синусоидального магнитного потока
где
Ф0 m 
Ф0 (t )  Ф0 m  sin( t ) ,
Um
2U
или U  4,44  fФ0 mw .

w w2f
Действующие значения
E10  E10m / 2  4,44  fw1  Ф0 m;
E 20  E 20m / 2  4,44  fw2  Ф0 m.
Отношение
(3.6)
E01 w1

 n называют коэффициентом трансформации.
E02 w2
Трансформатор, у которого n > 1, называется понижающим, а n < 1 –
повышающим.
Режим холостого хода трансформатора
В режиме холостого хода первичная обмотка трансформатора подключена к электрической сети, а во вторичной цепи отключена нагрузка
(рис. 3.4).
Рис. 3.4 Схема режима холостого хода трансформатора
7
В реальном трансформаторе ток холостого хода I1x  I1a  I1 p имеет две составляющие: активную -
I1a и реактивную – I1 p . Активная со-
ставляющая обусловлена потерями энергии гистерезис и вихревыми токами в магнитопроводе, реактивная составляющая создает в магнитопроводе трансформатора основной ток Фо .
В реальном трансформаторе первичная обмотка обладает активным
сопротивлением R1 , на котором при протекании тока I1 x создается падение напряжения
I1x  R1 и согласно второму закону Кирхгофа уравнение
трансформатора для первичной цепи при холостом ходе имеет вид:
U1   E1  I1x  Z1
(3.7)
где Z1 – комплексное полное сопротивление первичной обмотки
трансформатора. В режиме холостого тока (рис. 3.4) вторичная обмотка
трансформатора разомкнута ( i2  0, i1  i1x ) потребляемая трансформатором мощность
в стали
Pxx рассеивается в сердечнике в виде мощности потерь
Pст и мощности потерь в меди PМ 1 , т. е.
Pxx  Pст  PM 1  Pст  I12  R1
Поскольку величина тока
(3.8)
I1x намного меньше тока номинального
I1 x
 0,05 ), то потери в меди на холостом ходу трансформатора
I1н
пренебрежимо малы и Рхх  Рст . Следовательно, опыт холостого хода
I 1н (
позволяет определить параметры Rо и Xо первичной обмотки трансформатора. Таким образом:
Ro 
Pxx
I12
;
X o  Z xx2  Ro2
, где
Z xx 
U 1н
I1 x
(3.9)
Режим короткого замыкания трансформатора
В режиме короткого замыкания вторичная обмотка замкнута накоротко ( u2  0; i2  i2 k ) в экспериментальных условиях является аварийной, так как токи во вторичной обмотке превышают в 7-20 раз номинальные. Поэтому опыт короткого замыкания проводится при таком напряжении U1  U1K , при котором ток I 2  I 2 k  I 2 н , где I 2 н - величина
8
номинального тока во вторичной обмотке. При этом величина напряжения U1k составляет обычно 5-10 % от U1н
Поскольку
U1k  U1н , магнитный ток Фо . В режиме короткого
замыкания будет незначительным по сравнению с номинальным. Следовательно, для этого режима
Ro  0, X o  Zo  ( R2' )2  ( X 2' s )2 . Это
позволяет упростит расчет режима короткого замыкания и найти:
Z к.з 
U1k
Р
; Rк . з  2к . з ; X к . з  Z к2. з  Rк2. з
I1k
I1к . з
У реальных трансформаторов по известным величинам
(3.10)
Rк . з , X к . з
определяются параметры обмоток трансформатора:
R1 
Rк . з
R
X
X
; R2  21 ; X 1s  к . з ; X 2 s  12s
2
n
2
n
(3.11)
В паспорте каждого трансформатора указывают относительное значение напряжения короткого замыкания U k при номинальном токе в
процентах от номинального напряжения.
Напряжение короткого замыкания является величиной, важной для
практики, так как она позволяет определить изменение вторичного
напряжения трансформатора при нагрузке.
Нагрузочный режим, КПД трансформатора
При переходе от режима холостого хода к режиму работы под
нагрузкой вторичное напряжение U 2 трансформатора изменяется. При
постоянном значении первичного напряжения разность между вторичными напряжениями в этих режимах называется процентным изменением напряжения трансформатора и равна:
U 
U 2o  U 2
U ' U '
100%  2o ' 2
U 2o
U 2o
(3.12)
Так как при холостом ходе падение напряжения в обмотках трансформатора отсутствует, то U1  U 2 o и тогда при номинальном значении
'
первичного напряжения
U1  U1н , получим:
U 
U1н  U 2'
100%
U1н
9
(3.13)
Изменение
вторичного
напряжения
пропорционально
току
нагрузки: I  I1 .
Вводя коэффициент нагрузки   I 2  I1 , можно показать, что
'
2
I 2н
I1н
u   (uka % cos  2  ukp % sin  2 ) 100%
мость
(3.14)
Внешней характеристикой трансформатора называют зависивторичного напряжения U 2 от тока нагрузки I 2 при
U1  U1н  const , cos 2  const , f  f н  const
Внешние характеристики трансформатора при разном характере
нагрузки приведены на рис. 3.5.
3
1
2
1
0,75
0,5
0,25
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
Рис 3.5 Внешняя характеристика трансформатора
На рисунке 3.5приняты обозначения:
U ~
I2
~
U2  2 ; I2 
,
E2 o
( E2 o y 2 s )
~ ~
где U 2 , I 2 относительные единицы (о.е.). Кривая 1 соответствует
число активной нагрузке и cos2  1 , кривая 2 – активно-индуктивной
нагрузке и cos  2  0,8 кривая 3-активно-емкостный нагрузке и
cos 2  0,8 при 2  0
  
Коэффициент полезного действия трансформатора
Активная мощность Р2 , отдаваемая трансформатором приемнику,
Р1 на величину мощности потерь Р
(3.15)
Р2  Р1  Р
Отношение активной мощности Р2 к активной мощности Р1 назы-
меньше потребляемой мощности
вается коэффициентом полезного действия трансформатора:
10

Р2
Р2

Р1 ( Р2  Р )
(3.16)
Р2 и Р , имеют вид:
Р2  U 2 I 2 cos(н ); P  PM  Pст ,
Выражения определяющие
Рст - мощность потерь гистерезисе и вихревые токи, которую
при U1  U1н можно считать постоянной и равной Рхх при различной
где
нагрузке; РМ  I1 R1  I 2 R2  I1 R1  ( I 2 ) R2 -электрические потери
в обмотках трансформатора (переменные потери).
2
2
2
'
2
'
Выражения для КПД трансформатора может быть приведено к виду
~~
U 2 I 2 cos( н )
 ~~
~
~
U 2 I 2 cos(н )  2 I 22 cos( 2 s )  Pxx
Pxx
~
где Pxx 
( E22o y2 s )
,
(3.17)
Зависимость КПД трансформатора от его нагрузки имеет вид, показанной на рис. 3.6.
1
0,8
1
3
2
0,6
0,4
0,2
0
0,2
0,4 0,6
0,8
1
Рис 3.6. Зависимость КПД от нагрузки
Анализ формулы (3.17) показывает, что режим работы трансформатора, обеспечивающий максимально значение КПД, определяет примерное равенство переменных и постоянных потерь PM и Рст
11
III. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОДНОФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА
А. Провести опыт холостого хода при номинальном напряжении на
первичной обмотке трансформатора. Для этого собрать схему в соответствии с рис. 3.7.
2A
ЛАТР-1
10 A
S2
Тр
I
~ 220 В
V1
S1
A1
W
U
W1
A2
W2
RH
V2
30 В
250 В
Рис. 3.7 Схема ЭЦ для проведения опыта холостого хода трансформатора
1. После проверки схемы преподавателем (лаборантом) подать
напряжение на ЛАТР-1 (подвижный контакт S1 должен находиться в
крайнем левом положении).
2. По указанным напряжениям U1 в табл. 3.1 снять показания всех
приборов (при этом переключатель S2 находится в разомкнутом положении от нагрузки RH). Данные измерений занести в табл. 3.1.
Таблица 3.1
Режим холостого хода трансформатора.
U1, B
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
U2, B
I1(xx),A
P1(xx),Bт
K
Фmax,Bб
I2, A
Б. Снять внешнюю характеристику трансформатора U2 (I2) для чего
переключатель S2 подключить к внешней нагрузке (ламповому реостату).
После проверки схемы преподавателем (лаборантом) подать напряжение
с помощью ЛАТРа на первичную обмотку трансформатора, изменяя
нагрузку от 0 до 1,2 RH Ом, снять показания приборов для 5-6 точек. Данные измерения занести в табл. 3.2.
12
Таблица 3.2
Режим нагрузки трансформатора
1,B
2,B
P1,Bт cosφ1 P2,Bт cosφ2 I1,A I2,A R1H, 2H,
Oм Ом
3H,
Ом
1
2
3
1
10
1
20
1
30
1
40
1
50
1
60
1
70
1
80
1
90
2
00
В. Построить графики внешних характеристик трансформатора и зависимость КПД от нагрузки. Сделать краткие выводы по работе.
После согласования протокола испытаний с преподавателем разобрать ЭЦ установки, проводники и приборы сдать лаборанту, рабочее
место привести в порядок.
IV. СОДЕРЖАНИЕ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА ПО РАБОТЕ
Письменный отчет по лабораторной работе выполняется на отдельном бланке и должен содержать следующие основные пункты:
1. Название лабораторной работы (в соответствии с настоящим методическим указанием).
2. Цель работы.
3. Основные понятия и формулы. Дать понятие об электрической
сущности дуговой сварки, внешних характеристик СТ, временных диаграммах мгновенных значений u1, iД, uД, условиях устойчивости горения
дуги переменного тока.
4. Электрическая схема однофазного трансформатора и его основные
характеристики, данные используемых измерительных приборов.
13
5. Результаты исследований должны содержать таблицу экспериментальных данных семейства внешних характеристик U2=f(IH) для трех
диапазонов нагрузки RH1, RH2, RH3. Данные эксперимента сводятся в таблицы 3.1 и 3.2.
6. Построить графики внешних характеристик для трех режимов соответствия п. 5.
7. Анализ экспериментальных данных. Выводы по проделанной работе.
V. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. По каким признакам классифицируется сварочные источники питания?
2. Какие требования предъявляются к однопостовым источникам питания сварочной дуги переменного тока?
3. Сформулируйте условия устойчивого горения сварочной дуги постоянного и переменного тока.
4. Какой принцип положен в основу работы однофазного сварочного
аппарата?
5. Из какого материала изготавливается сердечник трансформатора?
6. Что такое коэффициент трансформации и как он определяется?
7. Что такое повышающий (понижающий) трансформатор?
8. Что называется внешней характеристикой трансформатора?
9. Назовите основные потери в трансформаторе при работе в номинальном режиме.
10. Напишите выражение для КПД трансформатора через потери в нем.
VI. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Основная литература
1. В.П. Шховцев. Электрическое и электромеханическое оборудование. М.: Форум –
Инфра 2004.
2. Л.Д. Рожкова, Л.К. Карнеева, Т.К. Чиркова. Электрооборудование электрических
станций и подстанций. М. Энергетика. ACADEMA 2004.
3. В.П. Шеховцов. Справочное пособие по электрооборудованию. М.: Форум – Инфра
2008.
4. Б.Н. Петленко, Ю.М. Иньков и др.; Под редакцией Б.Н. Петленко . Электротехника
и электроника. М.: Издательский центр «Академия» 2003.
5. В.М. Прошин. Лабораторно – Практические работы по электротехнике; учебные
пособия для начального профессионального образования. М.: Издательский центр «Академия» 2007.
Дополнительная литература
1. Электротермические установки. Методические указания к лабораторным работам.
Под редакцией А.В. Донского и др. Л.: ЛПИ 1983.
14
2. Электрооборудование и автоматика электротермических установок. Справочник.
Под редакцией А.П. Альтгаузена и др. М.: Энергия 1978.
3. Правила устройства электроустановок, 6 и 7 издания. Сибирское университетское
издательство. Новосибирск 2007.
4. Электротехника и электроника. Под редакцией Б.Н. Петленко, 3 издание стереотипное. М.: Издательский центр «Академия» 2007.
Составители:
Николай Георгиевич Юдин
Михаил Владимирович Панасенко
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ
Методические указания по проведению лабораторной работы № 3
Под редакцией авторов
Темплан 2011 г., поз. № 58К.
Подписано в печать 28.10.2011 г. Формат 60×84 1/16.
Бумага листовая. Печать офсетная.
Усл. печ. л. 0,93. Уч.-изд. л. 0,6.
Тираж 100 экз. Заказ №
Волгоградский государственный технический университет
400131, г. Волгоград, пр. Ленина, 28, корп. 1.
Отпечатано в КТИ
403874, г. Камышин, ул. Ленина, 5.
15