Расчеты параметров вторичных цепей контактной машины

Ниже рассматривается вторичная цепь без сварочного трансформатора. Расчет сопротивления короткого замыкания трансформатора далее.

Вторичный контур любой контактной машины настолько сложен для расчета, что в лучшем случае можно говорить лишь о приближенной оценке величины сопротивления контура, а не о достаточно точном и обоснованном определении его.

Нельзя считать, что плотность тока по сечениям проводников распределяется равномерно. Вытеснение переменного тока к поверхности проводника (поверхностный эффект), взаимное влияние проводников на распределение токов в них (эффект близости, кольцевой эффект), наличие ферромагнитных масс в непосредственной близости к проводникам — все это оказывает большое влияние как на активное, так и на реактивное сопротивление вторичного контура. Учесть эти явления при расчете реальных конструкций практически невозможно. Даже для более простых массивных электрических цепей, состоящих из бесконечно длинных параллельных проводников, расчеты довольно сложны. В рассматриваемом случае поля не плоскопараллельные, а трехмерные. Возможно, что в дальнейшем расчеты подобного рода массивных электрических цепей будут производиться с помощью вычислительных машин. Пока же наиболее надежным способом предварительного определения параметров вторичного контура контактной машины следует считать непосредственное измерение сопротивления геометрически подобной модели, изготовленной из тех же материалов, что и контуры.

В соответствии с критерием П1 измерения должны быть проведены при частоте тока, обратно пропорциональной квадрату соотношения линейных размеров модели и натуры. В лабораторных условиях моделирование обычно не сопряжено с какими-либо затруднениями и дает наиболее надежные результаты. На моделях сравнительно просто проверить влияние изменения отдельных размеров и конфигурации элементов конструкции.

В литературе можно найти описания различных эмпирических и полуэмпирических приемов, нашедших применение для ориентировочного определения сопротивления вторичных цепей контактных машин. Во всех случаях расчеты производятся без учета влияния эффекта близости. При определении активного сопротивления отдельные элементы контура рассматриваются как одиночные бесконечно длинные проводники. Сопротивление подсчитывается по формуле

где kn — коэффициент поверхностного эффекта, kn > 1; р — удельное электросопротивление; l, S — длина и поперечное сечение рассматриваемого элемента.

Коэффициент поверхностного эффекта обычно задают в функции критерия подобия П1, записанного в видоизмененной форме:

где f — частота; R0 — сопротивление 1 см проводника постоянному току в омах.

На рис. 2.6 приведены зависимости kn для проводников круглого и прямоугольного сечений от параметра р и коэффициента формы, равного отношению большей стороны к меньшей.

При определении сопротивления гибких элементов из фольги следует иметь в виду, что если концы этих элементов не монолитны, т. е. пластинки фольги не сварены или не спаяны между собой, то контактное сопротивление между пластинами оказывает большое влияние на распределение тока в элементе и на сопротивление его.

Можно показать, что при одностороннем подводе тока (рис. 2.7) сопротивление перемычки

где Rn = pl/bН — сопротивление одного листка фольги длиной l, толщиной 5 и шириной Н; Rк — переходное сопротивление между соседними листками фольги; k = 1/b V2Rк/Rn; m — толщина набора перемычки.

Увеличение количества пластинок сверх определенного предела [th(km) = 1] не дает снижения сопротивления. При одностороннем подводе тока этот предел

и минимальное сопротивление пакета

Ориентировочно можно считать, что при стягивании пакета одной шпилькой M10 или M12 сопротивление Rк = 2...3 мкОм.

Сопротивление Rк в первом приближении обратно пропорционально числу шпилек, т. е., если пакет стягивается, например, пятью шпильками, то Rк = 1/5 (2...3) мкОм.

При двустороннем подводе тока к пакету или при использовании проводящих шпилек число N может быть увеличено вдвое. Сопротивление элемента при этом уменьшится также почти вдвое. Двухкратное число пластин может быть принято и для витого пакета (см. рис. 2.2, б).

Следует избегать соединений с перекрестным подключением гибких перемычек (рис. 2.8). Такие перемычки должны иметь монолитные концы для подключения к массивным элементам либо надежные устройства, обеспечивающие двусторонний подвод тока к пакету, или, наконец, пакет должен быть выполнен витым.

Значение Rк не остается постоянным при эксплуатации машины и всегда стремится к возрастанию. Поэтому там, где это возможно, следует сваривать концы гибких перемычек, тем более, что эта операция просто осуществляется на обычных точечных машинах.

При расчетном определении активного сопротивления машины следует учитывать переходные сопротивления между различными элементами вторичного контура. По данным завода «Электрик», среднее значение переходного сопротивления одного неподвижного контакта принимается равным 2...8 мкОм (чаще порядка 3 мкОм), а подвижного 8...20 мкОм.

Реактивное сопротивление вторичного контура сварочной машины часто определяют по графику (рис. 2.9), построенному по опытным данным завода «Электрик» на основании измерений ряда контуров с различным раствором и вылетом. Как видно из графика, реактивное сопротивление при частоте 50 Гц приблизительно пропорционально квадратному корню из площади, охватываемой контуром. Ясно, что реактивное сопротивление зависит не только от площади, охватываемой контуром, но и от размеров и конфигурации токоведущих элементов. Поэтому график (см. рис. 2.9) может дать лишь сугубо ориентировочное значение реактивного сопротивления. Несколько более близкие к истине результаты дает способ, разработанный Л.В. Глебовым. Способ не имеет строгого обоснования и не соответствует общепринятой методике и контуров. Тем не менее, способ расчета индуктивностей проводов Л.В. Глебова удобен для практического применения.

Расчету предшествует разделение контура на участки, состоящие из отрезков «прямого» и «обратного» проводов одинаковой длины и расположенных строго друг против друга, как это показано, например, на рис. 2.10 (участки обозначены римскими цифрами). В пределах участка поперечные сечения элементов должны быть постоянными. Реактивное сопротивление вычисляется по формуле

где хi — индуктивное сопротивление единицы длины г-го участка, равное wLi; li — длина i-го участка.

Значения Li рекомендуется определять по кривым, полученным опытным путем при 50 Гц (рис. 2.11).

Для машин, рассчитанных на работу при повышенных или пониженных частотах, полученное в результате расчета реактивное сопротивление следует умножить на отношение f/50. Такой пересчет не совсем правилен, так как изменение частоты отражается на распределении токов в проводниках, а следовательно, и на индуктивности контура. Однако для ориентировочных расчетов, не преследующих высокой точности, такой пересчет допустим.

В стыковых машинах, особенно специализированных, расстояние между токоведущими элементами обычно невелико и ширина их значительна. Это обстоятельство позволяет произвести ориентировочный расчет сопротивления короткого замыкания машины, причем результаты расчета будут заведомо несколько отличаться в большую сторону. Допустим, что с обеих сторон вплотную КО вторичному контуру прилегают ферромагнитные массы с магнитной проницаемостью u = 00 (рис. 2.12). Тогда магнитное поле в объеме, охватываемом контуром, станет
только функцией координаты х, и распределение его будет близко к трапецеидальному. При таких условиях расчет активного и реактивного сопротивлений не вызывает каких-либо затруднений. Активное сопротивление можно найти по формуле

где Ri = рili/himi — сопротивление i-го элемента; li — длина i-го элемента; рi — удельное электросопротивление; hi, mi — поперечные размеры (рис. 2.12); Riк — переходное сопротивление между элементами.

Вследствие эффекта близости в массивных проводниках проводит ток только та часть, которая обращена внутрь контура. В первом приближении в расчет можно принимать слой, равный глубине проникновения тока:

Если mi > A, то вместо mi подставлять A.

Реактивное сопротивление вычисляется по упрощенной формуле:

где S — площадь, охватываемая контуром; S'пр — площадь продольного сечения той части контура, где глубина проникновения тока Д больше толщины проводников; S''пр — площадь продольного сечения проводящей части тех проводников, толщина которых больше глубины проникновения тока (рис. 2.13); h — средний поперечный размер контура. Показанная на рис. 2.13 площадь