Теоретические сведения. Трансформатором называется устройство для преобразования электрической энергии переменного тока одного напряжения в электрическую энергию переменного тока

Трансформатором называется устройство для преобразования электрической энергии переменного тока одного напряжения в электрическую энергию переменного тока другого напряжения.

Сварочный трансформатор разделяет сварочную цепь и силовую сеть, понижает напряжение сети до необходимого для сварки значения, самостоятельно или в комплекте с дополнительными устройствами обеспечивает формирование требуемых статических характеристик и регулирование сварочного тока.

Сварочный трансформатор содержит первичную и вторичную обмотки, размещенные на магнитопроводе из ферромагнитного материала.

Трансформаторы могут выполнятся на магнитопроводах стержневого, броневого или кольцевого типа. Обмотки трансформатора могут располагаться совместно, например, концентрично одна поверх другой, или раздельно, на разных участках одного стержня или разных стержнях трансформатора.

Одним из основных способов обеспечения непрерывного горения дуги переменного тока является искусственное увеличение индуктивного сопротивления обмоток, что может быть достигнуто за счет уменьшения магнитной связи между первичной и вторичной обмотками, то есть за счет увеличения магнитных потоков рассеяния. Поэтому трансформаторы для дуговых способов сварки (за исключением трансформаторов с дополнительными устройствами стабилизации горения дуги) выполняются с разнесенными первичными и вторичными обмотками.

На замкнутом ферромагнитном сердечнике (как правило, стержневого типа) размещены: первичная обмотка w₁, подключенная к сети, и вторичная обмотка w₂, подключенная к сварочной цепи (рис. 1.1)

Сварочный трансформатор может работать в трех режимах: в режиме холостого хода; режиме нагрузки; режиме короткого замыкания.

В режиме холостого хода вторичная цепь разомкнута (I₂ = 0). В первичной обмотке протекает сравнительно небольшой ток I₁₀. Намагничивающая сила первичной обмотки (I₁₀w₁) создает магнитный поток Ф₁

(1.1)

где R_М – сопротивление магнитной цепи, по которой замыкается магнитный поток.

а – конструкция; б – электрическая схема

Рисунок 1.1 - Конструкция и электрическая схема однофазного

сварочного трансформатора

Магнитный поток Ф₁ делится на две части: главный (основной) поток Ф_1О, замыкающийся по магнитопроводу, и поток рассеяния Ф_1Р, замыкающийся по воздуху в пространстве вокруг первичной обмотки.

В передаче мощности от первичной обмотки ко вторичной участвует только основной поток, который сцеплен с витками как первичной, так и вторичной обмоток. Поток рассеяния сцеплен с витками только первичной обмотки.

Основной магнитный поток индуцирует во вторичной обмотке ЭДС холостого хода

Е₂₀ = U₂₀ = Cw₂Ф₁₀, (1.2)

Здесь С =

где f – частота питающей сети;

Ф₁₀ – амплитудное значение основного магнитного потока.

Магнитный поток Ф₁ индуцирует в первичной обмотке ЭДС самоиндукции

Е₁ = Сw₁Ф₁. (1.3)

Напряжение U₁, подведенное к первичной обмотке, уравновешивается этой противо-ЭДС и падением напряжения на активном сопротивлении первичной обмотки

U₁ = Е₁ + I₁₀R₁. (1.4)

Ввиду малости тока холостого хода и активного сопротивления обмотки вторым слагаемым в выражении (1.4) можно пренебречь. Тогда

U₁» Е₁ = Сw₁Ф₁. (1.5)

В соответствии с (1.2) и (1.5) коэффициент трансформации определится выражением

(1.6)

где К_М – коэффициент магнитной связи между первичной и вторичной обмотками:

(1.7)

В трансформаторах с нормальным рассеянием, у которых первичная и вторичная обмотки совмещены (например, намотаны концентрично одна поверх другой), К_М» 1.

В трансформаторах с увеличенным рассеянием, у которых первичная и вторичная обмотки разнесены на разные стержни или на разные участки одного стержня, К_М < 1 (К_М = 0,9 – 0,98). При этом, в соответствии с выражением (1.6),

. (1.8)

То есть наличие потоков рассеяния приводит к некоторому снижению напряжения холостого хода трансформатора, что необходимо учитывать при расчете количества витков вторичной обмотки.

При подключении нагрузки во вторичной обмотке появляется ток I₂, который создает магнитный поток Ф₂, направленный встречно потоку Ф₁:

. (1.9)

Основная часть этого потока Ф₂₀ замыкается по магнитопроводу трансформатора, а часть потока замыкается в пространстве вокруг вторичной обмотки, образуя поток рассеяния вторичной обмотки Ф_2Р.

Магнитный поток, сцепленный с витками первичной обмотки в режиме нагрузки, определится разностью потока, созданного намагничивающей силой первичной обмотки (I_1Hw₁), и основной частью магнитного потока вторичной обмотки

Ф_1РЕЗ = Ф₁ +Ф_1Н – Ф₂₀. (1.10)

Результирующий магнитный поток, сцепленный с первичной обмоткой индуцирует в ней ЭДС самоиндукции, которая в основном уравновешивает подведенное к ней напряжение U₁ (см. формулы (1.3), (1.4)). Поэтому Ф_1РЕЗ остается почти неизменным при любых режимах работы трансформатора.

(Ф_1РЕЗ» Ф₁) (1.11)

Следовательно, увеличение вторичного тока сопровождается соответствующим увеличением первичного тока (I₁ » I₂ / n) и мощности, потребляемой трансформатором от питающей сети.

С увеличением тока нагрузки возрастают и потоки рассеяния первичной и вторичной обмотки Ф_1РН и Ф_2Р.

, (1.12)

Магнитный поток рассеяния вторичной обмотки не сцеплен с витками первичной обмотки и, следовательно, не компенсируется соответствующим увеличением первичного тока. Результирующий магнитный поток, сцепленный со вторичной обмоткой, составит

Ф_2РЕЗ = Ф_1РЕЗ - Ф_1Р - Ф_1РН – Ф_2Р. (1.13)

С учетом (8.11) получаем

Ф_2РЕЗ = Ф₁ - Ф_1Р - Ф_1РН – Ф_2Р = Ф₁₀ - Ф_1РН – Ф_2Р (1.14)

ЭДС индуктируемая во вторичной обмотке в режиме нагрузки:

Е₂=Cw₂Ф_2РЕЗ » Cw₂ Ф₁₀- Сw₂(Ф_1РН + Ф_2Р ). (1.15)

Первое слагаемое в выражении (1.15) определяет напряжение холостого хода трансформатора (см. 1.2).С учетом этого получаем

Е₂ = U₂₀ - Cw₂ (Ф_1РН +Ф_2Р ). (1.16)

Магнитные потоки рассеяния возрастают с увеличением тока нагрузки. Следовательно, магнитный поток, сцепленный со вторичной обмоткой, будет уменьшаться при увеличении тока нагрузки. При этом будет уменьшаться и ЭДС, индуктируемая во вторичной обмотке то есть внешняя характеристика трансформатора будет падающей, и крутизну ее падения можно регулировать, изменяя потоки рассеяния.

Коэффициент пропорциональности между потокосцеплением y = wФ и током в катушке определяет ее индуктивность

L = wФ/I. (1.17)

Магнитным потокам рассеяния соответствуют эквивалентные индуктивности рассеяния

(1.18)

Учитывая, что магнитный поток определяется намагничивающей силой обмотки (см. формулы (1.1) и (1.9)) можно записать:

(1.19)

где R_MP1 и R_MP2 – сопротивления магнитных цепей, по которым замыкаются потоки рассеяния первичной и вторичной обмоток.

При анализе работы трансформатора в режиме нагрузки принято использовать схему замещения трансформатора в которой магнитную связь между обмотками заменяют электрической. При этом все электрические величины и параметры относящиеся к одной обмотке приводятся к другой по формулам приведения

Приведение первичной обмотки ко вторичной цепи осуществляется с помощью следующих соотношений:

(1.20)

Индуктивность, включенная в цепь переменного тока, обладает индуктивным сопротивлением

X_L = wL. (1.21)

Напряжение на вторичной обмотке трансформатора в режиме нагрузки определится выражением

(1.22)

Если нагрузкой трансформатора является сварочная дуга то U₂ = U_Д, а

I₂ = I_СВ и уравнение (1.22) запишется в виде

, (1,23) где R_T = - соответственно, эквивалентное активное сопротивление и эквивалентное индуктивное сопротивление рассеяния трансформатора.

Упрощенная векторная диаграмма трансформатора приведена на рис. 1.2.

Рисунок 1.2. - Векторная диаграмма трансформатора

Обмотки трансформатора выполняются медным или алюминиевым проводом достаточно большого сечения и обладают малым активным сопротивлением. Падение напряжения на активном сопротивлении при номинальном для данного трансформатора токе составляет 1…3% от напряжения холостого хода:

I_2НОМR_T < 0,03 U₂₀. (1.24)

Если трансформатор выполнен с нормальным рассеянием (рис.1.3), то есть его первичная и вторичная обмотка совмещены, то магнитный поток, создаваемый намагничивающей силой каждой из обмоток, практически полностью сцеплен с обеими обмотками. Магнитные потоки рассеяния и эквивалентные им индуктивности рассеяния при этом близки к нулю (потоки рассеяния первичной и вторичной обмотки направлены встречно и практически полностью компенсируют друг друга).

L_1Р» 0, L_2Р» 0, X_T» 0.

Рисунок 1.3 - Конструкция однофазного сварочного трансформатора с совмещенными первичными и вторичными обмотками

Такой трансформатор в диапазоне рабочих токов имеет пологопадающую (близкую к жесткой) внешнюю характеристику.

Трансформаторы, у которых первичная и вторичная обмотки разнесены, то есть размещены на разных стержнях или на разных участках одного стержня, обладают повышенной индуктивностью рассеяния и имеют падающие или крутопадающие внешние характеристики.

При этом Х_Т >> R_T, и активным сопротивлением трансформатора можно пренебречь, а уравнение (1.23) можно записать в виде

^. (1.25)

Из векторной диаграммы видно, что при этом справедливы соотношения

(1.26)

(1.27)

Регулирование внешних характеристик (регулирование сварочного тока) у таких трансформаторов может осуществляться путем изменения индуктивности рассеяния.

Для ручной дуговой сварки широко применяются трансформаторы с механическим регулированием, из которых основными являются трансформаторы с подвижными обмотками и трансформаторы с подвижными магнитными шунтами.

Трансформаторы с подвижными обмотками обычно выполняются с магнитопроводами стержневого типа. Схематично конструкция трансформатора приведена на рис. 1.4. Первичная и вторичная обмотки состоят из двух одинаковых катушек, симметрично расположенных на разных стержнях и соединенных между собой с помощью планок.

Рисунок 1.4 - Конструкция трансформатора с подвижными обмотками

Одна из обмоток трансформатора, обычно первичная, выполняется неподвижной, другая – подвижной. Перемещение подвижной обмотки осуществляется ходовым винтом 10. В верхнюю планку 3, соединяющую катушки вторичной обмотки, запрессована ходовая гайка 2. Нижняя планка 4, соединяющая катушки первичной обмотки, служит подпятником для ходового винта. Ходовой винт проходит через отверстие в верхнем ярме и располагается в окне сердечника.

При вращении винта ходовая гайка вместе с катушками вторичной обмотки перемещается вертикально, обеспечивая изменения расстояния e между обмотками.

При минимальном расстоянии между обмотками потоки рассеяния каждой из обмоток частично сцеплены с витками другой обмотки и участвуют в передаче энергии. Значит, эти части потоков, замыкающихся в пространстве вокруг обмоток, не являются потоками рассеяния. (Потоки рассеяния в верхней части первичной обмотки и нижней части вторичной обмотки частично компенсируют друг друга). Индуктивности и индуктивные сопротивления рассеяния L_1Р, L_2Р и X_T имеют минимальные значения, а I_СВ, в соответствии с уравнением (1.2), максимален.7

При увеличении расстояния e между обмотками потоки рассеяния, а значит, и индуктивность рассеяния, возрастают, а сварочный ток падает.

Напряжение холостого хода при раздвижении обмоток несколько снижается (на 3…6% относительно значения, получаемого при сдвинутых обмотках).

При большом раздвижении обмоток (e > 200…300 мм) эффективность регулирования тока снижается при непрерывном росте массы магнитопровода. Поэтому для расширения пределов регулирования тока применяется плавно-ступенчатое регулирование путем одновременного переключения катушек первичной и вторичной обмоток с параллельного соединения на последовательное.

Типовая схема переключения обмоток приведена на рис. 1.5.

Рисунок 1.5 - Схема переключения обмоток трансформатора ТДМ–317

Положению 1 переключателя S соответствует диапазон больших токов. При этом катушки первичной и вторичной обмоток соединены параллельно, причем в каждой параллельной ветви первичной цепи последовательно соединены основная w₁ и дополнительная секции.

Коэффициент трансформации при этом составит

^. (1.28)

В положении 2 переключателя S катушки первичной и вторичной обмоток соединяются последовательно, причем в первичной цепи включены только основные секции w₁. Активные и индуктивные сопротивления вторичных обмоток при этом увеличиваются примерно в 4 раза, а первичных - в К = 4w₁/(w₁ + ) раз. Следовательно, положению 2 соответствует диапазон меньших токов.

Коэффициент трансформации

(1.29)

Сравнивая n₁ и n₂, видим, что коэффициент трансформации в диапазоне малых токов несколько меньше, а значит, напряжение холостого хода в диапазоне малых токов несколько повышается (U₂₀ = U₁/n), что благоприятно сказывается на стабильности горения дуги малой мощности.

Трансформаторы с подвижными магнитными шунтами выполняются на магнитопроводах стержневого типа и имеют дисковые обмотки. Обмотки трансформатора (рис. 1.6 расположены симметрично на стержнях магнитопровода. В канале между первичными w₁ и вторичными w₂обмотками расположены подвижные пакеты магнитного шунта 1 и 2.

Рисунок 1.6 - Конструкция трансформатора с подвижным магнитным шунтом

Возможны два варианта взаимного расположения первичной и вторичной обмоток относительно шунта, а именно: полное или частичное разнесение.

Трансформаторы небольшой мощности (на токи до 200…250 А) обычно выполняют с полным разнесением обмоток, когда первичные и вторичные обмотки расположены по разные стороны шунта.

Трансформаторы средней мощности (на токи до 500 А) выполняют с частичным разнесением обмоток. При этом вторичная обмотка состоит из двух секций – основной w₂₀ и дополнительной w_2Д. Основная вторичная обмотка расположена относительно первичной обмотки по другую сторону шунта. Дополнительная вторичная обмотка расположена в зоне первичной обмотки и имеет с ней хорошую магнитную связь. Трансформатор имеет две ступени регулирования.

Типовая схема переключения обмоток приведена на рис. 1.7.

Рисунок 1.7- Схема переключения обмоток трансформатора

с подвижным магнитным шунтом

Диапазону больших токов соответствует положение 1 переключателя S. При этом катушки вторичной обмотки соединены параллельно, причем в каждой параллельной ветви включены как основные, так и дополнительные секции. При переходе на диапазон малых токов (положение 2 переключателя S) дополнительные секции вторичной обмотки отключаются, а основные – соединяются последовательно. Так как w₂₀ > w_2Д, то переход на диапазон малых токов сопровождается некоторым увеличением напряжения холостого хода:

, , ^. (1.30)

Плавное регулирование тока осуществляется перемещением магнитного шунта. При введении пакетов магнитного шунта в окно магнитопровода (при уменьшении расстояния e между пакетами) возрастает магнитная проводимость для потоков рассеяния Ф_Ш. Потоки рассеяния и индуктивное сопротивление обмоток трансформатора возрастают, и сварочный ток падает.