Сварочный трансформатор с нормальным магнитным рассеянием
В трансформаторах с нормальным магнитным рассеянием первичная W 1 и вторичная W 2 обмотки располагают на стержневом магнито-проводе концентрично. Благодаря такому размещению потоки рассеяния минимальны. В этом случае можно записать k м1-2 ≈ k м2-1 ≈ 1. Незначительные потоки рассеяния и обусловливают небольшое значение индуктивности трансформатора (Х т ≈0).
Для получения необходимой индуктивности в цепи дуги последовательно с вторичной обмоткой трансформатора включают дополнительную реактивную катушку Wp с индуктивностью L ( рис, 18.10 ). В зависимости от расположения реактивной катушки относительно вторичной обмотки трансформатора различают Трансформаторы с совмещенной реактивной катушкой ( рис. 18.10, б ) и отдельной реактивной катушкой ( рис. 18.10, в, г ).
Рис. 18.10. Трансформаторы с нормальным магнитным рассеянием: а — функциональная схема; б — электромагнитная схема трансформаторов с совмещенной реактивной катушкой; в — то же, с отдельной реактивной катушкой и воздушным зазором; г — то же, с дросселем насыщения ДН
В трансформаторах с совмещенной реактивной катушкой ( рис. 18.10,6 ) реактивная катушка W p расположена на общем магнитопроводе с обмотками трансформатора. В результате этого реактивная катушка имеет с трансформатором как электрическую, тнк и электромагнитную связь.
Рассмотрим режимы работы трансформатора при холостом ходе и нагрузке.
При холостом ходе (I д = 0) магнитный поток Ф 01 создается намагничивающей силой первичной обмотки.
Распределение его по стержням магнитопровода показано на рис. 18.11, а. Основная часть потока Ф 01 замыкается через средний стержень Ф ос , и только небольшая его доля отводится в герхний Ф ов - Поток Ф 01 , взаимодействуя с витками w 1 и w 2 , наводит в них э. д. с. Е 1 и Е 20 . Э. д. с. Е 1 выражается уравнением (18.4) и уравновешивается первичным напряжением:
Е 20 = 4,44ω 2 ƒФ 01 · 10 -8 .
Магнитный поток Ф ов в витках реактивной катушки наводит э. д. с. Е р0 :
Е p0 = 4,44ω p ƒФ 0в ·10 -8 (18.8)
Е р0 = 4,44ω р ƒФ 01 k м1-р ·10 -8
где k м1-p — коэффициент магнитной связи первичной обмотки с реактивной катушкой.
Рис. 18.11. Распределение магнитных потоков в магнитопроводе трансформатора (условно): а — холостой ход; б — нагрузка, согласное включение; в — нагрузка, встречное включение
Э д. с. реактивной катушки в зависимости от способа включения либо суммируется с Е 20 (согласное включение), либо вычитается (встречное включение):
Е 2 = Е 20 ± Е р0
Е 2 = 4,44ƒФ 01 (ω 2 ± ω p k м1-p ) 10 -8 . (18.9)
С учетом уравнения (18.4) получим
U 0 = U 1 (ω 2 ± ω p k м1-p )/ω 1 (18.10)
Из этого уравнения следует, что напряжение холостого хода трансформатора зависит от способа включения вторичной и реактивной обмоток, а также от коэффициента магнитной связи. Наибольшее значение напряжения может быть достигнуто при согласном включении W 2 и W p и при минимальном воздушном зазоре φ в верхнем стержне магнитопровода ( рис. 18.11 )
При нагрузке намагничивающие силы первичной и вторичной обмоток создают в трансформаторе суммарный магнитный поток
Основная часть этого потока замыкается через средний стержень магнитопровода, и только небольшая часть отводится в верхний стержень. Намагничивающая сила реактивной катушки создает магнитный поток Ф р . Большая часть этого потока также замыкается через средний стержень. Однако значительная часть его отводится и в нижний стержень. Распределение магнитных потоков при нагрузке в магнитопроводе показано на рис. 18.11, б, в.
Суммарный магнитный поток в нижнем стержне
Ф н = Ф 1 + Ф 2 +Ф рн = Ф т + Ф рн
Ф н = Ф т + Ф р k мр-т , (18.11)
где k мp-т — коэффициент магнитной связи реактивной катушки с трансформатором.
При согласном включении W 2 и W p потоки Ф 2 и Ф рн находятся в фазе и направлены почти встречно потоку Ф 1 . В этом случае поток Ф рн ослабляет поток Ф 1 , создаваемый намагничивающей силой первичной обмотки. При встречном включении W 2 и W p , наоборот, поток Ф рн находится в фазе с потоком Ф 1 и усиливает его.
При неизменном напряжении U 1 имеем Ф н ≈Ф т ≈Ф 01 = const. Следовательно, любое усиление или ослабление потока Ф т вызовет изменение намагничивающего тока в первичной обмотке трансформатора. При согласном включении вторичной и реактивной обмоток из сети потребляется большая мощность, чем при их встречном включении, т. е. I 1согл > I 1встр .
Наиболее рациональный способ включения W 2 и W p в трансформаторах может быть получен исходя из условий сварки. При сварке на небольших токах наблюдается недостаточная устойчивость горения дуги. В этом случае применение источников с повышенным напряжением холостого хода (согласное включение обмоток) целесообразно. При сварке на больших токах решающим фактором становятся вопросы экономичности. И в этом случае встречное включение W 2 и W p предпочтительно.
Суммарный поток Ф т наводит в витках ω 1 э. д. с. Е 1 , которая в основном уравновешивается приложенным напряжением U 1 и в витках ω 2 э. д. с. Е 20 , равную
Е 20 = 4,44ω 2 ƒФ т ·10 -8 .
Суммарный магнитный поток в верхнем стержне
Ф в = Ф р + Ф 1в + Ф 2в = Ф р + Ф тв ,
Ф в + Ф р + Ф т k мт-р (18.12)
Поток Ф р наводит в витках ω p реактивную э. д. с. Е р , а поток Ф тв — основную Е р0 :
Е р = 4,44ω р ƒФ р ·10 -8 ,
Е р0 = 4,44ω р ƒФ т k мт-р ·10 -8 . (18.13)
Суммарная э. д. с. трансформатора
Ё 2 = Ё 20 + Ё р0 + Ё р . (18.14)
При рабочей нагрузке э. д. с. Е 2 уравновешивается падением напряжения на дуге и реактивной катушке
E2 = Uд + Eр = Uд+ IдХр.
При коротком замыкании э. д. с. уравновешивается падением напряжения на реактивной катушке
Е 2 = Е р = I к Х р .
Пользуясь векторной диаграммой (рис. 18.5) и уравнениями (18.1)—(18.3), выразим значение тока и напряжения дуги в аналитической форме:
Ток короткого замыкания (при U д =0)
Из полученных уравнений следует, что трансформаторы с нормальным магнитным рассеянием в сочетании с совмещенной реактивной катушкой имеют падающую внешнюю характеристику. Крутизна падения вольт-амперной характеристики определяется величиной индуктивного сопротивления катушки Х р . Граничные внешние характеристики для различных способов включения W 2 и W p приведены на рис. 18.12, а .
В трансформаторах с отдельной реактивной катушкой реактивная катушка имеет с трансформатором только электрическую связь ( см. рис. 18.10, в, г ). Коэффициент магнитной связи трансформатора с реактивной катушкой равен нулю. Для анализа работы трансформатора с отдельной реактивной катушкой (дросселем) могут быть использованы уравнения работы трансформатора с совмещенной реактивной катушкой. В этом случае в уравнениях, характеризующих режим работы при холостом ходе (18.8)—(18.10) и при нагрузке (18.11)—(18.13), коэффициенты магнитной связи k м1-p и k мт-р необходимо приравнять нулю.
Внешние вольт-амперные характеристики трансформаторов с отдельной катушкой приведены на рис. 18.12, б .
Рис. 18.12. Внешние полы-амперные характеристики трансформаторов с нормальным магнитным рассеянием и сочетании с реактивной катушкой: а — совмещенной; б — отдельной
Из уравнений (18.15)—(18.17) следует, что настройка трансформаторов с нормальным магнитным рассеянием на заданный режим работы возможна посредством изменения индуктивного сопротивления реактивной катушки
Х р = ωw 2 р /R м ,
где R м — сопротивление цепи магнитопровода на пути потока Ф р .
Наиболее доступно регулирование Х р в трансформаторах для дуговой сварки путем изменения сопротивления R м ( рис. 18.13 ). Для этой цели в магнитопроводе реактивной катушки имеется регулируемый воздушный зазор δ ( см. рис. 18.10, б, в ). При минимальных зазорах обеспечивается максимальное индуктивное сопротивление катушки, и наоборот. В специализированных источниках питания дуги часто используют другой тип реактивных катушек — дроссели насыщени ( см. рис. 18.10, г ). Витки реактивной катушки расположены на крайних стержнях магнитопровода. На среднем стержне размещена управляемая обмотка, питаемая постоянным током. Изменяя намагничивающий ток I н в управляемой обмотке, можно в широких пределах регулировать образующийся при этом в магнитопроводе поток Ф р — R м .
Рис. 18.13. Регулировочные зависимости трансформаторов с реактивными катушками
С величиной этого потока связана насыщенность магнитопровода, а следовательно, и его сопротивление потоку.
Выпускаемые для дуговой сварки однофазные трансформаторы должн соответствовать стандартам: ГОСТ 7012—69 (для автоматической сварки) ГОСТ 95—77 (для ручной сварки).
Наибольшее распространение получили трансформаторы с увеличенным магнитным рассеянием. На небольшие токи (до 500 А) выпускают трансформаторы типа ТД и СТШ. Трансформаторы типа ТД с раздвижными катушками: ТД-300, ТД-500, ТДП-1 (для монтажных условий сварки) и др. Трансформаторы CTШ с подвижными шунтами: СТШ-300, СТШ-500, СТШ-500-80 (с повышенным напряжением холостого хода) и др. На большие токи (1000—2000 А) разработаны трансформаторы с неподвижным подмагничивающим шунтом: ТДФ-1000-1 и ТДФ-2000-2. Они предназначены для дуговой сварки под флюсом и отличаются высокой надежностью в эксплуатации.
Менее распространены в настоящее время трансформаторы с нормальным магнитным рассеянием в сочетании с реактивной катушкой. В основном применяются только мощные трансформаторы с совмещенной реактивной катушко типа ТСД-1000-3, ТСД-2000-2 и др., предназначенные для сварки под флюсом.
Сварочные трансформаторы. Это специальные понижающие трансформаторы, имеющие требуемую внешнюю характеристику, обеспечивающие питание сварочной дуги и регулирование свароч ного тока. Трансформаторы, как правило, имеют падающую ха рактеристику, их используют для ручной дуговой сварки и автоматической сварки под флюсом. Трансформаторы с жесткой характеристикой применяют для электрошлаковой сварки.
Рис. 1. Изменение параметров режима сварки в зависимости от внешней характеристики источника питания и длины дуги
Трансформатор имеет сердечник — магнитопровод из трансформаторной стали, на сердечнике размещаются две обмотки — первичная и вторичная. Переменный ток из сети, проходя через первичную обмотку трансформатора, намагничивает сердечник, создавая в нем переменный магнитный поток, который, пересекая витки вторичной обмотки, индуктирует в ней переменный ток.
Напряжение индуктированного тока зависит от числа витков вторичной обмотки, чем меньше витков, тем напряжение индуктируемого тока будет меньше и, наоборот, чем больше витков, тем напряжение выше. Регулирование величины сварочного тока и создание внешней характеристики обеспечивается изменением потока магнитного рассеяния или включением в сварочную цепь дополнительного индуктивного сопротивления.
Рис. 2. Схема сварочного трансформатора ТСК -500: а — внешний вид, б — схема регулирования сварочного тока, в — электрическая схема
В соответствии с этим сварочные трансформаторы подразделяют на две основные группы. К первой группе относят трансформаторы с повышенным магнитным рассеянияем. Трансформаторы этой группы можно разделить на три основных типа: трансформаторы с магнитными шунтами, подвижными катушками и витковым (ступенчатым) регулированием (трансформаторы типов ТС, ТД, СТШ , ТСК , ТСП ).
Ко второй группе относятся трансформаторы с нормальным магнитным рассеянием и дополнительной реактивной катушкой — дросселем (типов СТН , ТСД ).
В качестве примера рассмотрим устройство трансформатора ТСК -500 с повышенным магнитным рассеянием с подвижной катушкой, при перемещении которой регулируется сварочный ток. В нижней части сердечника находится первичная обмотка, состоящая из двух катушек, расположенных на двух стержнях магнитопровода. Катушки первичной обмотки закреплены неподвижно.
Вторичная обмотка, также состоящая из двух катушек, расположена на значительном расстоянии от первичной. Катушки как первичной, так и вторичной обмоток соединены параллельно. Вторичная обмотка — подвижная и может перемещаться по сердечнику при помощи винта, с которым она связана, и рукоятки, находящейся на крышке кожуха трансформатора.
Сварочный ток регулируют изменением расстояния между первичной и вторичной обмотками. При вращении рукоятки 6 по часовой стрелке вторичная обмотка приближается к первичной, магнитный поток рассеяния и индуктивное сопротивление уменьшаются, сварочный ток возрастает. При вращении рукоятки против часовой стрелки вторичная обмотка удаляется от первичной, индуктивное сопротивление и магнитный поток рассеяния растут и сварочный ток уменьшается.
Рис. 3. Схема трехфазного выпрямителя: а — схема включения, б — выпрямленный ток внешней цепи; 1 — понижающий трансформатор, 2 — блок селеновых или кремниевых выпрямителей, 3 — сварочная дуга
Пределы регулирования сварочного тока — 165—650 А. Последовательное соединение катушек первичной и вторичной обмоток позволяет получать малые сварочные токи с пределами регулирования 40—165 А.
Для приближенной установки силы сварочного тока на крышке кожуха расположена шкала с делениями. Более точно ток устанавливают по амперметру.
Для повышения коэффициента мощности сварочный трансформатор ТСК -500 имеет в первичной цепи конденсатор 4 большой мощности.
Сварочные выпрямители. Это источники постоянного сварочного тока, состоящие из сварочного трансформатора с регулирующим устройством и блока полупроводниковых выпрямителей (рис. 3). Иногда в комплект сварочного выпрямителя входит еще дроссель, включаемый в цепь постоянного тока. Дроссель служит для получения падающей внешней характеристики. Действие сварочных выпрямителей основано на том, что полупроводниковые элементы проводят ток только в, одном направлении. Наибольшее применение в сварочных выпрямителях получили селеновые и кремниевые полупроводники. Сварочные выпрямители выполняют в подавляющем большинстве случаев по трехфазной схеме, преимущества которой заключаются в большом числе пульсаций напряжения и более равномерной загрузке трехфазной сети.
Сварочные выпрямители обладают рядом преимуществ перед преобразователями с вращающимися частями. Они имеют лучшие энергетические, динамические и весовые показатели, более высокий к. п. д., просты в обслуживании, более надежны из-за отсутствия вращающихся частей, при их работе отсутствует шум.
Сварочные выпрямители в зависимости от внешних характеристик можно разделить на три типа: с крутопадающими ( ВСС -300-3, ВСС -120-4, ВКС -500 и др.), жесткими (или пологопадающими) характеристиками (ВС-200, ВС-300, ВС-600, ВС-1000, ИПП -120, ИПП -300, ИПП -500, ИПП -1000) и универсальные ( ВСУ -300, ВСУ -500). Универсальные выпрямители обеспечивают возможность получения как жестких, так и падающих внешних характеристик, поэтому их можно применять для различных видов-дуговой сварки. Цифра в марке выпрямителя означает номинальный ток при ПР= =60-^-65%.
Сварочные генераторы. Это специальные генераторы постоянного тока, внешняя характеристика которых позволяет получать устойчивое горение дуги, что достигается изменением магнитного потока генератора в зависимости от сварочного тока. Сварочный генератор постоянного тока состоит из статора с магнитными полюсами и якоря с обмоткой и коллекторами. При работе генератора якорь вращается в магнитном поле, создаваемом полюсами статора. Обмотка якоря пересекает магнитные линии полюсов генератора, и поэтому в витках обмотки возникает переменный ток, который с помощью коллектора преобразуется в постоянный. Вращение якоря сварочного генератора обеспечивается в сварочных преобразователях электродвигателем, а в сварочных агрегатах — двигателем внутреннего сгорания. К коллектору прижаты угольные щетки, через которые постоянный ток подводится к клеммам. К этим клеммам присоединяют сварочные провода, идущие к электрододержа-телю и изделию.
Сварочные генераторы выполняют по различным электрическим схемам. Они могут быть с падающей характеристикой (генераторы типа ГСО в преобразователях типа ПСО - ЗОО , ПСО -500 и др.), с жесткой и пологопадающей характеристикой (типа ГСГ в преобразователях типа ПСГ -500) и универсальные (преобразователи типа ПСУ -300, ПСУ -500).
Наибольшее распространение получили сварочные генераторы с падающими внешними характеристиками, работающие по следующим схемам: – с независимым возбуждением и размагничивающей последовательной обмоткой; – с самовозбуждением и размагничивающей последовательной обмоткой.
Схема генератора с независимым возбуждением и размагничивающей последовательной обмоткой показана на рис. 4, а.
С увеличением тока в сварочной цепи будет увеличиваться Фр, а Фн остается неизменным, результирующий поток Фрез, э. д. с. и напряжение на зажимах генератора будут падать, создавая падающую внешнюю характеристику генератора. Сварочный ток в генераторах этой системы регулируется реостатом Р и секционированием последовательной обмотки, т. е*. изменением числа ампер-витков.
В генераторах с самовозбуждением и размагничивающей последовательной обмоткой возбуждения используется принцип самовозбуждения.
Рис. 4. Принципиальная схема сварочного генератора: а — с независимым – возбуждённей и размагничивающей последовательной обмоткой, б — с самовозбуждением и размагничивающей последовательной обмоткой; Г — генератор, Р — реостат, НО — намагничивающая обмотка, РО — размагничивающая обмотка
Трансформаторы с нормальным рассеянием
В основе работы трансформатора лежит явление электромагнитной индукции, заключающаяся в том, что при изменении магнитного потока внутри контура, охваченного проводником, в этом проводнике возникает электродвижущая сила (ЭДС), а при замыкании проводника — в нём появляется ток.
Рис. 1 Конструктивная схема трансформатора с нормальным рассеянием
Сварочный трансформатор с нормальным рассеянием (рис.1) обычно имеет стержневой магнитопровод 3, цилиндрические первичную 1, и вторичную 2 обмотки, каждая из которых состоит из двух катушек. Электрическая энергия сети подаётся на первичную обмотку и преобразуется в ней в энергию магнитного потока, которая по магнитопроводу передаётся вторичной обмотке, где снова преобразуется в электрическую и подаётся дальше на сварочную дугу. Число витков вторичной обмотки меньше, чем у первичной, т.е. трансформатор понижает сетевое напряжение до необходимого при сварке. Вторичные катушки концентрично надеты на первичные, поэтому почти весь поток, создаваемый первичной обмоткой, сцепляется и со вторичной. Поток рассеяния, создаваемый одной обмоткой, но не сцепляющийся с другой, очень мал. Поэтому такая конструкция и называется трансформатором с нормальным рассеянием. Его индуктивное сопротивление невелико, поэтому внешняя характеристика — почти жёсткая. Следовательно, один трансформатор для ручной дуговой сварки использоваться не может, его дополняют индуктивной катушкой — дросселем.
Дроссель с воздушным зазором
Трансформатор с нормальным рассеянием имеет жёсткую характеристику, и поэтому не пригоден для ручной дуговой сварки. Его обычно дополняют реактивной катушкой — дросселем с воздушным зазором в магнитной цепи. Дроссель имеет магнитопровод , обмотку и подвижный магнитный пакет. Обмотка включается последовательно в цепь вторичной обмотки трансформатора , она обладает большим индуктивным сопротивлением. Это, и способствует получению падающей характеристики. Магнитный пакет может перемещаться с помощью привода,что вызывает изменение индуктивного сопротивления обмотки и, следовательно,тока. Кроме того, дроссель сдвигает фазы тока и напряжения источника, что повышает устойчивость дуги переменного тока.
Падающая характеристика при использовании трансформатора с нормальным рассеянием получается благодаря включению в цепь его вторичной обмотки дросселя -реактивной катушки с большим реактивным сопротивлением.
Плавное регулирование сварочного тока в трансформатора с дросселем осуществляется изменением индуктивного сопротивления дросселя за счет изменения воздушного зазора в его магнитной цепи, иногда оно дополняется ступенчатым витковым регулированием первичной или вторичной обмотки трансформатора.
Дроссель насыщения
Индуктивное сопротивление дросселя можно регулировать не только механическим, но и электрическим путём. Этот принцип реализован в конструкции дросселя насыщения (рис. 2). Он имеет броневой магнитопровод 4, обмотку управления 3,питающуюся от вспомогательного источника постоянного тока, и две вспомогательно соединённые рабочие обмотки 1 и 2 , включённые в цепь дуги переменного тока. Принцип работы дросселя насыщения основан на взаимодействии магнитных потоков обмотки управления и рабочих обмоток. При включении обмотки управления в цепь постоянного тока в магнитопроводе появится постоянный поток управления Фу, зависящий от тока Iу и числа витков обмотки управления Wу.
Рис.2 Дроссель насыщения
Рабочие обмотки дросселя насыщения намотаны на крайних стержнях таким образом, чтобы их потоки в среднем стержне были направлены встречно. Поэтому в среднем стержне практически отсутствует переменный ток, и в обмотке управления не наводится переменная ЭДС основной частоты, что облегчает её работу.
Переменная составляющая магнитного потока в крайних стержнях наводит в рабочих обмотках ЭДС ЕL1=EL2, подобно тому, как это происходит в дросселе с воздушным зазором.Следовательно, дроссель насыщения обладает значительным индуктивным сопротивлениемXL и может использоваться с трансформатором с нормальным рассеянием для формирования падающей внешней характеристики.
Для плавного регулирования режима с помощью дросселя насыщения меняют ток в обмотке управления, витковое регулирование изменением Wy и WL обычно не используется.
Электрическое регулирование сварочного тока обладает важными достоинствами : плавность,компактность регулятора, возможность дистанционного и програмного управления,отсутствие подвижных частей, что повышает надёжность и долговечность источника.Его недостатком является перерасход активных материалов — трансформаторного железа и обмоточных проводов, а также относительная сложность конструкции.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Трансформаторы с увеличенным рассеянием
В отличии от силовых трансформаторов не сварочного назначения, у которых потери магнитных потоков стремятся уменьшить, большая часть сварочных трансформаторов специально разработана с увеличенным магнитным рассеянием. Это достигается размещением первичной и вторичной обмотки на значительном расстоянии друг от друга. Проще всего пояснить принцип увеличения магнитного рассеяния на примере трансформатора, у которого первичная и вторичная обмотки разнесены на разные стержни (рис.1). Обычно такой трансформатор имеет цилиндрические ( реже дисковые ) первичную 1 и вторичную 2 обмотки и стержневой магнитопровод 3.
Рис. 1. Конструктивная схема и распределение магнитных
потоков в трансформаторе с разнесёнными обмотками
Формирование падающей внешней характеристики в трансформаторе с увеличенным рассеянием
При размещении первичной и вторичной обмоток на значительном расстоянии друг от друга в трансформаторе возникают большие потоки магнитного рассеяния, в результате чего с увеличением тока нагрузки снижаются поток, сцепляющиеся со вторичной обмоткой, и вторичное напряжение, что и объясняет наличие падающей внешней характеристики.
Регулирование режима в трансформаторе с увеличенным рассеянием
Изменение числа витков первичной и вторичной обмотки. От части витков сделаны отпайки,так что при пересоединении проводов, соединяющих трансформатор с сетью и нагрузкой, фактически меняется число витков, участвующих в работе. При изменении числа витков первичной обмотки W1 по соотношению меняется напряжение холостого хода U0 и пропорционально ему вторичный ток I2 .
При регулировании изменением числа витков первичной обмотки приходится завышать сечение магнитопровода, а при регулировании по вторичной стороне — сечение обмоточного провода. Поэтому витковое регулирование используется редко и только в дополнение к другим способам.
Перемещение магнитного шунта . На пути потоков рассеяния Ф1р и Ф2р устанавливается пакет трансформаторного железа, который выполняет роль магнитного шунта, т.е. участка магнитной цепи, параллельного основному магнитопроводу. Магнитный шунт может перемещатся.
Подмагничивание магнитного шунта . Магнитный шунт может быть и неподвижным. В этом случае его сопротивление Rтр изменяется благодаря обмотке, питаемой постоянным током через регулировочный реостат. При увеличении тока управления увеличивается и поток Фу, что приведёт к насыщению железа шунта, т.е. увеличению его магнитного сопротивления Rтр. А это вызовет увеличение сварочного тока I2.
Изменение степени разнесения обмоток. Здесь часть витков вторичной обмотки W2a находится на том же стержне, что и первичная обмотка, между ними установлена нормальная магнитная связь. Две другие катушки с числом витков W2б и W2в разнесены с первичной обмоткина разные стержни, их магнитная связь с первичной обмоткой ослаблены.
Использование реактивной обмотки. Такая дополнительная обмотка устанавливается на пути потоков рассеяния, в режиме нагрузки в этой обмотке находится ЭДС.
При последовательном согласном соединении реактивной обмотки со вторичной их ЭДС складываются, что даёт ступень больших токов. При последовательном встречном включении их ЭДС вычитаются, в результате имеем диапазон малых токов.
Перемещение обмоток. Первичная и вторичные обмотки могут находится на одном стержне, но на значительном расстоянии друг от друга, в результате чего получаются большие потоки рассеяния Ф1р и Ф2р. Регулирование режима в этом случае осуществляется с изменением расстояния между обмотками.
Изменение соединения катушек первичной и вторичной обмоток. Если первичная и вторичная обмотки содержат каждая по две катушки, открывается ещё одна возможность ступенчатого регулирования. В варианте I используется половина обмоток трансформатора — одна первичная и одна вторичная катушка, в этом случае сопротивление трансформатора Хт1=Х’1+Х2. В варианте II две катушки первичной обмотки соединяются последовательно, две катушки вторичной обмотки соединены также последовательно. При этом индуктивное сопротивление двух половин трансформатора складываются, поэтому сопротивление трансформатора Хт2=2Х’1+2Х2=2Хт1 — вдвое выше, чем в первом варианте, а ток соответственно ниже. В варианте III катушки первичной обмотки соединены параллельно, так же параллельно соединены и катушки вторичной обмотки. При параллельном соединении складываются уже не сопротивления, а проводимости двух половин.
При таком регулировании напряжение холостого хода не меняется.
Трансформатор с подвижными обмотками.
Принцип действия такого трансформатора иллюстрирует рисунок 2. Наибольшее распространение получила конструктивная схема трансформатора со стержневым магнитопроводом 3, цилиндрическими первичной 1 и вторичной 2 обмотками, разбитыми каждая на две катушки. Подвижная обмотка ( обычно вторичная ) перемещается винтовым приводом 4. Основной поток трансформатора Фт замыкается по магнитопроводу, а потоки рассеяния Ф1р и Ф2р — по воздуху в пространстве между первичной и вторичной обмотками.
Рис.2. Расчётная схема трансформатора с
подвижными обмотками
Падающая внешняя характеристика у трансформатора с подвижными обмотками получается благодаря увеличенному магнитному рассеянию, вызванному размещением первичной и вторичной обмоток на значительном расстоянии друг от друга.
Плавное регулирование режима, как уже отмечалось, производится благодаря перемещению подвижных обмоток. Ступенчатое увеличение тока осуществляется переключением катушек первичных и вторичных обмоток с последовательного на паралелльное соединение.
Регулирование тока у трансформатора с подвижными обмотками осуществляется за счёт изменения его индуктивного сопротивления: плавное перемещение обмоток, ступенчато-переключением соединения катушек параллельно или последовательно.
Рис.3. Конструкция трансформатора ТДМ — 317 У2
Трансформатор типа ТДМ-317 У2 является типичным примером серийной конструкции с подвижными обмотками (рис.3.7). Он имеет стержневой магнитопровод 2, первичную 6 и вторичную 4 обмотки, переключатель диапазонов тока 12, регулятор тока 1, раму8, колеса 7 и не показанный на рисунке кожух. Магнитопровод набран из холоднокатаных лакированных пластин высококремнистой трансформаторной стали марки 3414 толщиной 0,35 мм. Первичная и вторичная обмотки имеют по две катушки, расположенные попарно на стержнях магнитопровода.
Трансформатор с подвижным магнитным шунтом
Принцип действия трансформатора рассмотрим по рис.4. Он имеет неподвижные первичную 1 и вторичную 2 обмотки, стержневой магнитопровод 3 и подвижный магнитный шунт 4. Каждая обмотка имеет по две катушки, размещённые на разных стержнях. Потоки рассеяния Ф1р и Ф2р замыкаются через магнитный шунт.
Падающая характеристика у трансформатора с магнитным шунтом получается благодаря увеличенному рассеянию, вызванному размещением первичной и вторичной обмоток на значительном расстоянии друг от друга и наличием магнитного шунта.
Рис.4. Конструктивная схема трансформатора с подвижным магнитным шунтом
Регулирование режима в трансформаторе с магнитным шунтом осуществляется: плавно- перемещением магнитного шунта, ступенчато- переключением обмоток и изменением степени разнесения обмоток по стержням.
Трансформатор с подмагничиваемым шунтом
В массовом порядке выпускались трансформаторы для механизированной сварки под флюсом типов ТДФ-1001У3 и ТДФ11601 У3.
Трансформатор ТДФ-1001 (рис.5) имеет стержневой магнитопровод 3 и неподвижный шунт 4 также стержневого типа. Магнитная проводимость шунта регулируется с помощью обмотки управления 5, питаемой постоянным током. Первичная обмотка 1, состоящая из двух параллельно соединённых катушек, закреплена у верхнего ярма. Вторичная обмотка 2 состоит из трёх частей по две параллельно соединённых катушек в каждой: катушки 2а расположена рядом с первичной обмоткой, а катушка 2б и 2в отделены от первичной обмотки магнитным шунтом. Поэтому потоки рассеяния весьма велики.
Рис.5. Конструктивная (а) и упрощённая принципиальная (б) схемы трансформатора с подмагничивающим шунтом
Падающая характеристика у трансформатора с подмагничиваемым шунтом получается благодаря увеличенному рассеянию, вызванному размещением первичной и вторичной обмоток (или части последней) на значительном расстоянии друг от друга и наличием магнитного шунта.
Основной способ регулирования режима заключается в изменении индуктивного изменения трансформатора при изменении магнитного сопротивления шунта.
Трансформатор с реактивной обмоткой
Иногда возникает необходимость в дешёвом трансформаторе с низким ПН и узким диапазоном регулирования, например, при сварке на монтаже или в быту. Такой простейший трансформатор (рис. 6) имеет стержневой магнитопровод 3, первичную 1 и вторичную 2 обмотки, разнесённые на разные стержни. Поэтому потоки рассеяния замыкаются не только по лобовым поверхностям и в окне магнито повода, но ещё и по воздуху между верхними нижним ярмами (Ф1яр и Ф2яр).
Рис.6. Конструктивная (а) и упрощённая принципиальная (б) схемы
трансформатора с реактивной обмоткой
Трансформатор с обмотками, размещенными на разных стержнях, имеет падающую внешнюю характеристику благодаря увеличенному магнитному рассеянию как между стержнями,так и между ярмами магнитопровода.
Для регулирования режима используют реактивную обмотку 4. На рис. 6,б показано, что с помощью переключателя S эта обмотка последовательно соединена со вторичной.
Трансформатор с разнесёнными обмотками
Простейший трансформатор с разнесёнными на разные стержни обмотками может регулироваться и за счёт изменения числа витков вторичной и первичной обмотки. К сожалению, при этом одновременно меняется и напряжение холостого хода. Кратность такого регулирования не превышает 2. Поэтому витковое регулирование только за счёт увеличения или уменьшения числа витков обмоток в серийных конструкциях не применяется. Заметный эффект достигается при совмещении витков регулирования с изменением степени разнесения обмоток по стержням.
На рис.7 показан трансформатор, у которого вторичная обмотка разнесена на разные стержни, тогда как первичная расположена на левом стержне.
Рис.7. Конструктивная схема трансформатора
с витковым регулированием
По схеме рис.7 изготавливается трансформатор ТСБ-145 на три ступени регулирования, он снабжён вентилятором и втычным переключателем ступеней. Подобную схему имеет и трансформатор ТДС-140. Выпускается также нерегулируемый трансформатор ТС-50.
Трансформатор с индуктивностью и ёмкостью
Рис.8. Принципиальная схема трансформатора с
индуктивностью емкостью в цепи дуги
Устойчивость горения дуги при использовании трансформатора с индуктивностью и ёмкостью высокая, поскольку повторное зажигание происходит при совместном питании дуги от трансформатора и ёмкости.
Практически это означает, что при ручной дуговой сварке в случае использования достаточной ёмкости напряжение холостого хода можно снизить примерно до U0 = 35-40 В безопасности снижения устойчивости горения дуги. Снижение U0 приводит к увеличению коэффициента трансформации n = U1/U0= I2/I1 и пропорциональному снижению первичного тока I1. На этой основе удаётся разработать сварочный трансформатор на ток I2 до 100 А, питающийся от осветительной сети с U1=220В и первичным током 15А.
Способы регулирования положения внешней характеристики в сварочных трансформаторах
1. Основа - трансформатор с жесткой характеристикой. Падающая характеристика за счет дросселя, включенного последовательно в цепь дуги.
2. Сам трансформатор обладает падающей характеристикой, образующейся за счет создания различным способом усиленных полей рассеяния.
Тема 2.2. Трансформаторы для ручной дуговой сварки (РДС)
Трансформаторы с нормальным магнитным рассеянием. Трансформаторы с увеличенным магнитным рассеянием. Трансформаторы с подвижными обмотками. Трансформаторы с подвижными шунтами.
Трансформаторы с нормальным магнитным рассеянием и отдельным дросселем. Такие трансформаторы относятся к однофазным (двухфазным) понижающим трансформаторам. Между трансформатором и дросселем существует только электрическая связь. В свое время они широко применялись в сварочном производстве (марки СТЭ-24, СТЭ-34).
Классификация трансформаторов показана на рис. 2.6.
Схема аппарата представлена на рисунке 2.7.
Рисунок 2.6. - классификация трансформаторов
Рисунок 2.7 - Конструкция дросселя (а) и электрическая схема (б, в)
Дроссель L подсоединяется последовательно в сварочную цепь. Сердечник дросселя имеет регулируемый воздушный зазор 1в. Дроссель формирует падающие внешние характеристики источника, и он же является регулятором сварочного тока. Индуктивность сварочного контура большая и создаются условия для стабильного горения дуги переменного тока.
Недостаток трансформатора - вибрация подвижной части пакета.
Трансформаторы с нормальным магнитным рассеянием и совмещенной реактивной обмоткой (СТН, ТСД). Несколько различное конструктивное исполнение источников не меняет общей идеи их работы (рисунок 2.8).
Рисунок 2.8 - Конструкция сердечников и расположение обмоток трансформаторов СТН (а) и ТСД (б)
Здесь в отличие от СТЭ есть и электрическая, и магнитная связь дросселя и собственно трансформатора. Зазор регулируется двигателем.
В режиме холостого хода поток, создаваемый первичными обмотками, распределяется между средним ярмом (СЯ) и верхним ярмом (ВЯ) согласно их магнитным проводимостям. Вторичные обмотки и обмотки дросселя намотаны в одну сторону, т. е. напряжение холостого хода Uо можно несколько менять изменяя зазор (зазор уменьшается Uо увеличивается, зазор увеличивается Uо уменьшается). Это, конечно, имеет смысл только при малых зазорах.
В режиме нагрузки есть вторичный ток, создающий поток, который совместно с потоком первичной обмотки создает результирующий поток.
Ток нагрузки, протекая по дросселю, создает поток, направленный против результирующего потока, в дросселе ЭДС самоиндукции.
С увеличением тока нагрузки ЭДС самоиндукции также возрастает и понижается выходное напряжение трансформатора.
Трансформаторы с повышенным магнитным рассеянием. Конструктивно можно создать трансформатор с искусственно увеличенными полями рассеяния. Для этого необходимо несколько разнести обмотки друг от друга и от сердечника (рисунок 2.9).
1 - первичная обмотка; 2 - вторичная обмотка; 3 - сердечник
Рисунок 2.9 - Магнитная схема трансформатора с увеличенным рассеянием
В них кроме основного потока трансформатора Фт, замыкающегося по сердечнику, каждая из обмоток создает поля рассеяния - лобовые Флб, окна Фок и ярма Фяр.
Эти трансформаторы делятся на две основные группы:
- трансформаторы с подвижными обмотками;
- трансформаторы с магнитными шунтами (с подвижными шунтами и подмагничиваемыми шунтами).
Трансформаторы с подвижными обмотками ТС (ТСК) и ТД. Катушки обмоток этих трансформаторов расположены несколько иначе, чем у силовых. Для ступенчатой регулировки обмотки разделены на две части, а для получения увеличенного рассеяния - разнесены.
Первичная обмотка обычно неподвижна, вторичная - подвижная с помощью ходового винта.
У силового трансформатора обмотки предельно сближены и поток рассеяния минимален, характеристика жесткая. У сварочных трансформаторов рассеяние принудительно увеличено, характеристика падающая. На рисунке 2.10 показан трансформатор с подвижными обмотками.
При подаче напряжения сети на первичную обмотку в ней появляется ток холостого хода, возникает магнитный поток Фполн., часть которого замыкается по сердечнику Фт (основной поток), а часть по воздуху Ф1р.
Рисунок 2.10 - Трансформатор с подвижными обмотками
На холостом ходу в обмотках основной магнитный поток создает ЭДС в первичной и вторичной обмотках, пропорциональную числу витков и скорости изменения магнитного потока.
Кроме этого в первичной обмотке (так как в ней есть ток) создается ЭДС рассеяния, но так как сила этого тока мала, то и ЭДС рассеяния небольшая.
Есть такое понятие - коэффициент магнитной связи:
где Ф2 - поток пронизывающий II обмотку;
Фполн. - суммарный магнитный поток.
Км зависит от расстояния между обмотками - если обмотки расположены близко друг к другу, то Км стремится к 1. Напряжение холостого хода при изменении расстояния между обмотками меняется незначительно, примерно на 3 - 5 %
В рабочем режиме во вторичной обмотке появляется ток и появляются новые магнитные потоки, замыкающиеся по сердечнику и по воздуху. С возрастанием тока нагрузки потоки рассеяния всех обмоток увеличиваются, что приводит к снижению выходного напряжения и получению падающей характеристики.
Недостатки трансформаторов с подвижными обмотками:
- Необходимость и трудность надежного закрепления обмоток (подвижных) из-за вибрации, шума и износа.
- Низкая надежность механизма перемещения и достаточно значительная масса его.
- Высокие потери энергии на потоки рассеяния в элементах трансформатора.
Трансформаторы с магнитными шунтами. Трансформаторы с увеличенным магнитным рассеянием и подвижными магнитными шунтами выполняются на магнитопроводах стержневого типа и имеют дисковые обмотки.
Обмотки трансформатора (рис. 2.11) расположены симметрично на двух стержнях магнитопровода 3. В канале между первичными 1 и вторичными 2 обмотками установлен магнитный шунт 4. Между шунтом и стержнями магнитопровода имеются воздушные зазоры 5.
Возможны два варианта взаимного расположения первичной и вторичной обмоток относительно шунта, а именно полное или частичное разнесение. При полном разнесении первичные и вторичные обмотки расположены по разные стороны шунта. При частичном разнесении вторичная обмотка состоит из двух секций - основной и дополнительной, причем дополнительная обмотка размещена в зоне первичной обмотки и имеет с ней хорошую электромагнитную связь.
Наличие магнитного шунта (при его введении в сердечник) увеличивает потоки рассеяния обмоток Ф1р и Ф2р и, следовательно, снижается выходное напряжение. Плавное движение шунта приводит к получению семейства выходных характеристик с разной степенью крутизны.
Недостатки таких систем аналогичны предыдущим моделям источников и связаны с наличием подвижных ферромагнитных элементов в переменном магнитном поле.
Рисунок 2.11 - Конструктивная схема трансформатора с подвижным шунтом
Сопротивлением магнитного шунта прохождению магнитного потока можно управлять также путем его (шунта) подмагничивания. Так были созданы трансформаторы с увеличенным магнитным рассеянием и подмагничиваемыми шунтами.
Трансформаторы с увеличенным магнитным рассеянием и подмагничиваемыми шунтами. Конструктивно эти источники отличаются от трансформаторов с подвижными шунтами тем, что шунт неподвижен, а изменение потоков рассеяния обмоток осуществляется изменением магнитной проницаемости сердечника шунта путем его подмагничивания постоянным током (рисунок 2.12).
Рисунок 2.12 - Трансформатор с подмагничиваемым шунтом
а - конструктивное исполнение; б - электрическая схема
Трансформаторы имеют стержневой магнитопровод 3, неподвижный магнитный шунт, имеющий тоже сердечник стержневого типа 4 и обмотки подмагничивания 5. Первичные и вторичные обмотки разделены на две части, однако вторичная обмотка еще разделена на секции, расположенные по разные стороны магнитного шунта (2а, 2б и 2в).
Секция 2а расположена рядом с первичной обмоткой и имеет жесткую характеристику, обмотки, расположенные по другую сторону шунта, имеют увеличенное рассеяние, которое можно регулировать изменением магнитной проводимости материала сердечника шунта.
Наличие секционирования обмоток и обмоток с нормальным и увеличенным рассеянием позволяет получить различные виды внешних вольт-амперных характеристик.
Трансформаторы с реактивной обмоткойимеют стержневой сердечник 3, секционированные первичную 1, вторичную 2 и реактивную 4 обмотки (рисунок 2.13).
Рисунок 2.13 - Конструктивная (а) и принципиальная электрическая схема (б) трансформатора с реактивной обмоткой
Простота и низкая стоимость источников этого типа предполагает их работу в монтажных условиях, но им присущ недостаток - узкий диапазон регулирования выходных параметров.
Потоки рассеяния замыкаются не только по лобовым поверхностям и в окне магнитопровода, но и по воздуху между верхним и нижним ярмами (ярмовое регулирование).
Реактивная обмотка сцеплена с потоками ярмового рассеяния, а также имеется возможность ее согласного, встречного включения или полого отключения для увеличения и уменьшения сварочного тока соответственно (три диапазона ступенчатой регулировки (рисунок 2.12,б) позволяют делать это).
Резонансные источники питания. Эти источники питания переменного тока созданы относительно недавно и выгодно зарекомендовали себя для небольших потребляемых токов.
Высокие технологические свойства резонансных сварочных источников определяются в основном избирательными свойствами вторичного контура, нагруженного на дуговой промежуток. Устойчивость горения дуги при использовании трансформатора с индуктивностью и емкостью (рисунок 2.14) высокая, поскольку повторное зажигание происходит при совместном питании дуги от трансформатора и емкости. Практически это означает, что при ручной дуговой сварке в случае использования достаточной емкости напряжение холостого хода можно снизить примерно до 40 В без опасности снижения устойчивости горения дуги. Снижение напряжения холостого хода приводит к увеличению коэффициента трансформации и пропорциональному снижению первичного тока.
Рисунок 2.14 – Схема резонансного источника
Применение резонансного контура во вторичной цепи обеспечивает практически синусоидальную форму кривой сварочного тока.
Сварочное оборудование данного класса обладает следующими преимуществами:
- высокий уровень электробезопасности, связанный с применением специальных схемных решений, ограничивающих напряжение холостого хода до значения не более 38 В (в изделиях, выполненных по специальным требованиям, - не более 12 В);
- высокий коэффициент полезного действия (до 80 %);
- получение коэффициента мощности не менее 0,95 достаточно простой настройкой резонансного контура;
- минимальный уровень помех, генерируемый в сеть и окружающее пространство, по сравнению со всеми известными образцами сварочного оборудования;
- уменьшение при коротком замыкании в сварочном контуре тока потребления из сети в 1,5 - 2 раза (в известных типах сварочных аппаратов он обычно возрастает в 2 - 2,5 раза);
- отсутствие пиков зажигания в кривой тока, что позволяет снизить концентрацию диффузионного водорода в шве и тем самым улучшить его прочностные свойства.
Разработан и применяется в настоящее время большой класс трансформаторов с магнитным регулированием, в которых изменение выходных параметров осуществляется за счет изменения магнитных характеристик сердечников подмагничиванием. При этом очень существенно искажается форма кривой переменного тока, что негативно сказывается как на параметрах процесса сварки, так и на энергетических характеристиках оборудования.
Тиристорные трансформаторы с фазовым регулированием имеют хорошие энергетические характеристики, высокую гибкость регулирования, небольшие массу и габариты за счет конструктивного нормального магнитного рассеяния. Могут иметь системы стабилизации параметров.
Включение трансформаторов на последовательную и параллельную работу. Трансформаторы могут включаться на последовательную и параллельную работу для достижения необходимых параметров по выходному напряжению или силе тока.
Включение на последовательную работу возникает при необходимости увеличения выходного напряжения для сварочного процесса. Необходимо учитывать при этом, что неправильное подсоединение в этом случае неопасно и приведет лишь к снижению (а не к увеличению) выходного напряжения. Сила выходного тока при таком соединении определяется наименее мощным трансформатором.
Параллельное включение применяется для увеличения выходного тока системы трансформаторов. Однако, параллельно можно включать только одинаковые трансформаторы и на одной ступени. Опасна неправильная фазировка выходных обмоток.
Тема 2.3. Другие виды трансформаторов.
Тиристорные трансформаторы. Формирование внешних характеристик. Трансформаторы для дуговой сварки под флюсом. Трансформаторы для электрошлаковой сварки (ЭШС). Современный рынок производителей и моделей трансформаторов.
Читайте также: