Преобразователь трехфазной системы питания в двухфазную

Всистемах автоматики для питания исполнительных асинхронных микродвига­телей часто используется система двухфазного тока. Двухфазный ток удобно получать из трехфазного путем применения особых трансформаторных схем. Наибольшее распро­странение получила схема,состоящая из двух неоди­наковых однофазных трансформаторов I и II (рис.1.5 а).В этой схеме точка 0 делит витки первичной обмотки трансформатора II на две равные части. Напряжения обмоток трансформаторов I и II сдвинуты на четверть периода. Первичные напряжения трансфор­маторов I и II или (рис. 1.5, б).

Для получения одинаковых напряжений на вторичных обмотках трансформаторов необходимо, чтобы коэффициент трансформации трансформатора I был в раз больше, чем трансформатора II. Обычно оба трансформато­ра выполняются с одинаковым числом вторичных витков, но первичные вит­ки трансформатора I име­ют ответвление на расстоянии количества вит­ков от начала обмотки. При симметричных двух­фазных токах вторичной цепи токи трехфазной пер­вичной цепи также явля­ются симметричными.

Р и с. 1.5. Преобразование трёхфазного тока в двухфазный:

а – трансформаторная схема; б – векторная диаграмма напряжений
первичных обмоток

1.3.2. Преобразователь трехфазной системы питания
в шести- и двенадцатифазную

В ряде случаев тре­буется преобразовывать трехфазный ток в шести- и двенадцатифазный. Для преобразова­ния в шестифазный ток используется трехстержневой трансформа­тор, на каждом стержне которого размещены одна фаза первичной обмотки и две одинаковые фазы вторичной. Вторичные обмотки могут быть соединены в две звезды (рис. 1.6), в замкнутый многоугольник или в зигзаг.

Р и с. 1.6. Преобразование трёхфазной системы тока в шестифазную:

а – схема соединения обмоток трансформатора;

б – векторная диаграмма ЭДС первичной обмотки;

в – векторная диаграмма ЭДС вторичной обмотки

Для преобразования в двенадцатифазный ток ис­пользуется соединение вто­ричных обмоток в двойной зигзаг (рис. 1.7). При этом число витков в ветви шестифазной части долж­но быть в 2,75 раза больше, чем двенадцатифазной. В случае симметричной на­грузки ток в шестифазной зоне в 1,93 раза больше, чем в двенадцатифазной. Двенадцатифазный ток может быть также получен с помощью двух трансфор­маторов трехфазного тока, преобразующих в шестифазный, у одного из которых первичная об­мотка соединена звездой, а у другого – треугольником.

Так как при большом числе фаз уменьшаются пульсации вы­прямленного тока и напряжения, то в случае выпрямления трех­фазного тока при помощи ртутных выпрямителей обычно применяют трансформаторы, вторичная обмотка которых имеет шесть или двенадцать фаз. При работе на выпрямитель фазы трансформа­тора работают поочередно.

1.4. Особенности трансформаторов,
при­меняемых в радио и телевизионных устройствах

Трансформаторы нашли широкое применение в схемах радио­электроники. Особенность этих схем со­стоит в том, что в них нужно преобра­зовывать ток и напряжение в большом диапазоне частот, обычно от долей гер­ца до сотен килогерц. Для возможно­сти минимального искажения формы пре­образуемого тока необходимо, чтобы характеристики трансформатора были линейными, а постоянная времени обмоток – наименьшей. Чтобы характеристики трансформатора имели линейную зависи­мость, уменьшают индукцию магнитопровода и шихтуют его из листов специальных ферромагнитных сплавов (например, пермалоя) или специальной трансформаторной электротехнической стали, имеющей малые потери, низкую остаточную индукцию, высо­кое значение индукции насыщения и большую магнитную прони­цаемость.

Вихревые токи в стали должны быть уменьшены, так как при высокой частоте они искажают форму выходных импульсов и вызывают значительное возрастание тока холостого хода. Вслед­ствие эффекта вытеснения вихревые токи вызывают неравномерное распределение потока по сердечнику магнитопровода, что может привести к насыщению поверхностных слоев листов стали. Для уменьшения постоянной времени обмотки размещают таким обра­зом, чтобы индуктивность рассеяния была наименьшей.

Р и с. 1.8. Преобразование трех­фазного тока в шестифазный для питания
выпрямителей по схеме трансформатора с урав­нительным реактором:

а – схема соединения обмоток трансформатора; б – изменение во времени ЭДС
вторичных обмоток и выпрямленного напряжения; в – изменение во времени тока
первичной обмотки; г – изменение во времени токов вторичной обмотки.

Развитие телевидения, радиолокации и импульсной радиосвязи привело к созданию специальных импульсных трансформаторов, предназначенных для преобразования сигналов, имеющих малую продолжительность и крутой фронт нарастания. Импульсные транс­форматоры понижают или повышают напряжение импульсов и могут изменять их полярность. Часто импульсные трансформаторы вы­полняются многообмоточными. Мощность импульсов современных трансформаторов находится в диапазоне от нескольких ватт до 10 мВт. Длительность импульсов составляет от долей микросекунды до 1-2 микросекунд. При этом фронт нарастания импульса обычно весьма крутой, и время t_t (рис. 1.9), в течение которого происходит нарастание импульса, очень мало. Кривая увеличения напряжения за время t_t может рассматри­ваться как четверть периода некоторого периодического процесса, проходящего с очень большой частотой, при которой между обмотками и между витками одной обмотки возникают значительные емкостные свя­зи. Учет емкостных связей в схеме замещения может быть приближенно произведен вве­дением ветви, содержащей емкость С. В им­пульсном трансформаторе по емкостным связям может проходить значительный ток, в результате чего искажается форма фронта импульса и могут возникнуть колебания, которые нак­ладываются на передаваемый импульс.

Особенностью процессов в импульсном трансформаторе по сравнению с трансформаторами, работающими при промышленной и даже звуковой частоте, является сильное влияние емкостных связей, перемагничивания и вихревых токов.

1.5. Пик-трансформатор

Если трансформаторы, применяемые в ра­диоэлектронике, должны возможно более точно сохранять форму кривой передаваемого напряжения, то назна­чение пик-трансформа­тора состоит в измене­нии формы кривой нап­ряжения. На выходе пик-трансформатора на­пряжение должно иметь острую пикообразную форму.

Для получения пикообразной формы ЭДС на вторичной об­мотке необходимо, чтобы сцепленный с нею поток был бы уплощен­ным. Поэтому вторичную обмотку наматывают на стержень 2 (рис. 1.10), имеющий весьма малое сечение, который быстро насы­щается. Первичную обмотку наматывают на имеющий большое сече­ние стержень 1, который через воздушный зазор шунтируется стержнем 3, имеющим также большое сечение. Стержни 1 и 3 не насыщаются.

Пик-трансформатор работает следующим образом. Пока стер­жень 2, на который намотана вторичная обмотка, не насытился, поток стержня 1 в основном замыкается по стержню 2,так как этот путь имеет меньшее магнитное сопротивление. После насыщения стержня 2 при дальнейшем увеличении потока стержня 1 он проходит только через воздушный зазор по ненасыщенному стерж­ню 3.

Изменение во времени потоков и ЭДС пик-трансформатора представлено на рис. 1.11. В любой момент времени поток Фв стержне 1 равен сумме потоков: Фв насыщенном стержне 2 и Фв стержне 3 (рис. 1.12).

Р и с. 1.10. Схема пик- Р и с. 1.11. Изменение во времени

трансформатора потоков и ЭДС пик-трансформатора

Пользуясь идеализированной картиной изменения потока Ф₂ , проанализируем изменение ЭДС Е₂ в обмотке, рас­положенной на насыщенном стержне 2 (см. рис. 1.13). Если бы стержень 2 не насыщался, то потоки Фи Ф₂ изменялись бы по одному и тому же закону (кривая 1).В этом случае в обмотке 2 индуктировалась бы ЭДС (пунктирная кривая 2),фаза которой от­стает на четверть периода от кривой 1 изменения потока. Вслед­ствие насыщения стержня 2 поток Ф₂ в течение времени, определяемого на рис. 1.13 углом , остается неизменным (кривая 3). Поэтому в течение этого времени ЭДС Е₂ равна нулю (кривая 4).Таким образом, ЭДС Е₂ индуктируется только в промежутке вре­мени, определяемом на рисунке углом (кривая 4).

Из рис. 1.13 следует, что

,

где – амплитудное значение индукции в стержнях 1 и 2; Si и S₂ – сечение стержней 1 и 2.

Последнее выражение показывает, что ширина пика вторичного на­пряжения уменьшается при уменьшении сечения S₂ стержня 2 и при увеличении индукции В_m1 стержня 1.

Р и с. 1.13. Идеализированная картина изменения потоков
и ЭДС пик-трансформатора

На рис. 1.13 видно, что величина пика вторичного напряжения равна амплитудному значению ЭДС:

,

откуда следует, что величина пика пропорциональна индукции В_m1 стержня 1, на котором намотана первичная обмотка.

Пик-трансформаторы широко применяются при регулировании, при выпрямлении и инвертиро­вании переменного тока и в многоканальной телефонной связи.

1.6. Электромагнитный стабилизатор напряжения

Во многих схемах автоматики и радиоэлектроники необходимо поддерживать неиз­менное напряжение. Обычно напряжение сети имеет колебания в некоторых пределах. Для их устранения применяются стабилиза­торы. В установках мощностью до 5 кВ·А часто используются электро­магнитные стабилизаторы. К их достоинствам можно отнести низкую стоимость, простоту изготовления и надежность в работе. Их недо­статком является плохая форма кривой стабилизированного напря­жения и зависимость его величины от частоты сети и cos нагрузки. В основном применяются два типа электромагнитных стабилиза­торов напряжения: без емкости, работающие на принципе насыще­ния сердечника, и с емкостью, работающие на принципе резонанса токов или резонанса напряжений.

На рис. 1.14 представлена одна из возможных схем электро­магнитного стабилизатора напряжения насыщенного типа. Магнитопровод стабилизатора трехстержневой. Один из крайних стержней имеет меньшее сечение, которое выбирают таким образом, чтобы его сталь была насыщена. На этом стержне намотана вторич­ная обмотка трансформатора. Первичная обмотка, присоединяемая к напряжению питающей сети U_u,намотана на среднем стержне. На другом крайнем стержне большого сечения намотана компенсационная обмотка К, имеющая не­большое число витков. Она соеди­нена со вторичной обмоткой 2 по­следовательно таким образом, что­бы их ЭДС были направлены встречно. Напряжение U₂ на выхо­де стабилизатора равно разности ЭДС, индуктируемых в обмотках 2 и К. Часто в стабилизаторах ис­пользуется не трансформаторная, а автотрансформаторная схема. Стабилизатор работает следую­щим образом. При увеличении напряжения питающей сети на обмотке 1 поток в насыщенном стержне, на котором намотана об­мотка 2, увеличивается незначи­тельно, так как увеличение потока происходит в основном по пути ненасыщенного стержня, на кото­ром намотана обмотка К. Однако некоторое увеличение ЭДС обмотки 2 имеет место, но оно компенсируется увеличением ЭДС на обмотке К. В результате напряжение на выходе стабилизатора остается неизменным. ЭДС первичной обмотки имеет резко нелинейную зависи­мость от тока (кривая 1, рис. 1.15). Так как стержень, на кото
ром намотана обмотка 2, быстро насыщается, то ее ЭДС Е₂ после насы­щения увеличивается незначительно (кривая 2).ЭДС Е_к компенса­ционной обмотки изменяется пропорционально току (кривая 4), так как сталь стержня, на который она намотана, не насыщена. Стабилизатор настраивают таким образом, чтобы угол наклона кривой 4 к оси абсцисс был равен углу насыщенной части кривой 2 к оси абсцисс. Напряжение на выходе стабилизатора U2, рав­ное разности ЭДС обмоток 2 и K, в широком диапазоне увеличения тока не изменяется (кри­вая 3). К.п.д. этих стабилизаторов обычно 40-60%.

1.7. Электромагнитные преобразователи частоты

В некоторых схе­мах автоматического регулирования, измери­тельных устройств и для питания электроинструмента использу­ются статические электромагнитные преобразователи частоты. В большинстве случаев применяются преобразователи, которые ум­ножают частоту в два, три, шесть, восемь и девять раз. Наиболее распространенными яв­ляются удвоители и утроители частоты. Ос­тальные умножители обычно получают путем каскадного соедине­ния, при котором напря­жение выхода одного усилителя подается на вход другого. Рассматривае­мые умножители частоты работают по принципу насыщения.

Принцип работы удвоителя частоты основан на том, что при изменении потока, создаваемого переменным и постоянным током, магнитопровод дважды насыщается за один период изменения тока. В результате проходящий по этому магнитопроводу поток, который создается подмагничивающей обмоткой постоянного тока, пульсирует и наводит ЭДС двойной частоты.

Удвоитель частоты (рис. 1.16) состоит из двух однофазных транс­форматоров I и II, каждый из которых имеет три обмотки: первич­нуюобмотку 1, питаемую от сети переменного тока, подмагничивающую обмотку 2, питаемую от сети постоянного тока и выходную обмотку 3, к которой подсоединяется нагрузочное сопротивление zHr. В некоторых случаях подмагничивающую обмотку заменяют вставкой из постоянного магнита.

Первичные об­мотки, размещенные на разных сер­дечниках, соединены последовательно, а выходные – встречно. Поэтому ЭДС выходной обмотки не содержит первой и других нечетных гармоник. Так же, как и в магнитной системе трехстержневого МУ, магнитопроводы сердечников удвоителя частоты насыщаются, реагируя на каждую полуволну тока первич­ной обмотки. Вследствие этого поток, создаваемый обмоткой 2 постоянного тока, пульсирует с двойной частотой сети и наводит в выходной обмотке ЭДС двойной частоты.

Для компенсации внутреннего индуктивного сопротивления последовательно с нагрузочным сопротивлением включают конденса­тор С. Применение конденсаторов улучшает и делает стабиль­ными внешние характеристики умножителей. Напряжение двой­ной частоты на выходной обмотке 3 регулируют изменением вели­чины постоянного тока в подмагничивающей обмотке 2.

Утроители частоты работают на принципе исполь­зования третьей гармоники, возникающей при насыщении сталь­ного магнитопровода. Схема, показанная на рис. 1.17, может работать как утроитель частоты. Для этого в разрез нулевого про­вода должно быть включено нагрузочное сопротивление _. Во многих случаях включают компенсирующую ем­кость С. В качестве утроителя частоты можно также использовать схемы (рис. 1.18) трансформатора, первичная обмотка которого соединена в звезду без вывода нулевой точки. Витки выходной обмотки, по которой проходят токи тройной частоты, должны быть намотаны последовательно. На всех трех сердечниках к выходной обмотке подключают нагрузочное сопротивление и компенсирующую ем­кость С.

а б

Р и с. 1.18. Схема утроителя частоты:

а – при наличии выходной обмотки основной частоты;
б – без выходной обмотки основной частоты: 1 – первичная обмотка;
2 – вторичная обмотка основной частоты;
3 – выходная обмотка тройной частоты

Для лучшего использования магнитной системы кроме выходной обмотки 3 токов тройной частоты утроитель может также иметь вторичную трансформаторную обмотку 2, соединенную в звезду без вывода нулевой точки (рис. 1.18, а). В этом случае утрои­тель частоты совмещается с трансформатором и использу­ются основная и третья гармоники потока.

В схеме (рис. 1.19) обмотки утроителя ча­стоты намотаны на двух сердечниках. Первич­ные обмотки, размещенные на сердечниках I и II, соединены последовательно, а выходные обмотки 2 – встречно. Сердечник I насыщен­ный.

Сердечник II имеет воздушный зазор и является ненасыщенным. Поэтому в части выходной обмотки 2, которая намотана на стержне II, индуктируется только основная гармоника ЭДС, которая сдвинута на 180° по отношению к гармонике ЭДС, индукти­руемой в части обмотки 2, расположенной на насыщенном сердечнике I.

В результате это­го в выходной обмотке основные гармоники компенсируются. Третья гармоника остается некомпенсированной, и по нагрузочному сопротивлению z_Hr про­ходят токи тройной частоты. Полная компенсация первых гармоник возможна только при холостом ходе, так как при нагрузке угол сдвига между первыми гармониками ЭДС обмоток 2 отличен от 180°.

Контрольные вопросы

1. Какие достоинства и недостатки имеет автотрансформатор по сравне­нию с трансформатором?

2. Как в автотрансформаторе передается мощность из первичной сети во вторичную?

3. Чем отличается рабочий процесс понижаю­щего автотрансформатора от повышающего?

4. Какое значение имеет электро­магнитная мощность автотрансформатора, если его коэффициент трансформа­ции k = 1?

5. Почему у автотрансформатора ток короткого замыкания больше, чем у трансформатора?

6. В результате чего ЭДС на вторичной обмотке пик-трансформатора имеет заостренную форму?

7. Каким образом можно увеличить высоту и ширину пика напряжения пик-трансформатора?

8. Каков принцип работы стабилизаторов напряжения?

9. Как влияет изменение частоты питающей сети и характера нагрузки на работу стабилизатора напряжения?

10. Какие гармоники тока используются для схем удвоителя и утроителя частоты?

11. Какие общие явления лежат в основе работы МУ и удвоителя час­тоты?

12. Какая частота тока получается на выходе каскадного соединения уд­воителя и утроителя частоты?

2. СВАРОЧНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ

2.1. Общие сведения об электросварке

Электросваркой называется способ получения не­разъемного соединения металлических деталей путем их местного нагрева до жидкого или пластического состояния с использованием для нагрева электрической энер­гии. Наиболее распространенные виды электросварки – дуговая и контактная.

При дуговой электросварке соединяемые детали обычно нагреваются вместе с присадочным материалом при помощи электрической дуги, температура в которой превышает 5000 °С. В зоне сварки создается ванночка расплавленного металла, которая при охлаждении за­твердевает и образует сварной шов, прочно соединяющий свариваемые детали.

При контактной электросварке детали в месте со­единения нагревают до оплавления (иногда – до пла­стического состояния) и сжимают с определенным усилием. Нагрев осуществляется теплом, которое выделяет­ся в точках контакта между деталями при прохождении через них электрического тока. Присадочный материал не добавляется.

На предприятиях электромашиностроения установки электросварки применяют для сварки остовов генера­торов и двигателей постоянного тока, приварки к осто­вам лап, изготовления сварных кожухов электрических машин, сварки крестовин и т. д. Электросварка широко используется при монтажных и ремонтных работах.

Дуговая сварка имеет несколько разновидностей. По особенностям использования электрической дуги раз­личают сварку открытой дугой, закрытой дугой под сло­ем флюса, защищенной дугой в среде защитного газа. В зависимости от степени механизации и автоматизации процесса сварки говорят о ручной, полуавтоматиче­ской и автоматической сварке. Наконец, сварка может производиться на постоянном и на переменном токе од­нофазной и (реже) трехфазной дугой. Сварка на по­стоянном токе дороже и требует более сложного оборудования, но дает более высокое качество сварного шва.

Самое широкое применение для сварки черных ме­таллов получила ручная электросварка открытой дугой с плавящимся электродом (рис. 2.1, а). Дуга, получая питание от источника 2 переменного или постоянного то­ка, горит в воздухе между свариваемыми деталями и электродом 3, который плавится в процессе сварки и участвует в образовании сварного шва. Электрод из проволоки, по химическому составу близкой к металлу свариваемых деталей, покрыт обмазкой. Она содержит вещества, которые образуют при расплавлении шлаки и газы, повышающие устойчивость дуги и в известной ме­ре защищающие расплавленный металл от воздействия кислорода и азота воздуха.

Ручная сварка открытой дугой с неплавящимся электродом (рис. 2.1, б) используется обычно при сварке деталей из цветных металлов и сплавов. В этом случае применяется источник постоянного тока. Дуга горит между свариваемыми деталями 1 и электродом 3 (угольным или графитовым). В зону сварки вводится присадочный пруток 4.

При автоматической и полуавтоматической сварке закрытой дугой под флюсом с плавящимся электродом (рис.2.1, в) дуга горит под находящимся на свариваемых деталях 1 слоем сыпучего вещества – флюса 6. Голая электродная проволока 3 автоматически подается в зону сварки через флюс с помощью подающего механизма 5. Дуга получает питание от источника 2 переменного или постоянного тока. При сварке под флюсом в зоне сварочной дуги под действием высокой температуры флюс расплавляется и образует своеобразный газовый пузырь. Оболочка 7 последнего надежно защищает расплавленный металл от действия кислорода и азота воздуха. При автоматической сварке автоматизируется и перемещение дуги вдоль свариваемых кромок; при полуавтоматической сварке это перемещение осуществляется вручную. Автоматическая сварка под флюсом дает высокое качество сварного соединения; ее производительность в 6-12 раз выше, чем ручной дуговой сварки.

Р и с. 2.1. Разновидности дуговой сварки

Сварка защищенной дугой в среде защитного газахарактерна тем, что в зону сварки специально подают аргон, или смеси его с небольшим количеством активных газов (аргонодуговая сварка), или углекислый газ. Ручная аргонодуговая сварка неплавящимся электродом (рис. 2.1, г) на постоянном и переменном токе от источника 2 применяется при изготовлении конструкций из нержавеющих и жаропрочных сталей, цветных металлов и их сплавов, при сварке тонкого металла. Воль­фрамовый электрод 3 помещен в газоэлектрическую го­релку 8, к которой под давлением подводится газ из баллона. Вытекающая из сопла горелки струя газа 9 за­щищает в зоне сварки основной металл и металл приса­дочного прутка 4 от воздействия кислорода и азота возду­ха. При автоматической и полуавтоматической сварке в среде аргона или углекислого газа используется плавя­щийся электрод (рис. 2.1, д). Неизолированная элект­родная проволока 3 при помощи механизма 5 непрерыв­но подается через горелку 8 в зону сварки, которая от­делена от окружающего воздуха струей газа 9. Сварка в среде аргона производится как на переменном, так и на постоянном токе, сварка в среде углекислого газа (она применяется для сталей любого состава) – на постоянном токе. Сварка в среде углекислого газа для многих видов работ экономически эффективнее других способов сварки.

При питании сварочной дуги постоянным током сва­риваемые детали чаще всего соединяют с положитель­ным полюсом источника, а электрод – с его отрица­тельным полюсом. Это – так называемая «прямая по­лярность» сварки. В дуге в области анода выделяется большее количество тепла, чем в области катода, поэто­му при сварке с прямой полярностью большую долю тепла получают служащие анодом свариваемые детали, которые обычно массивнее электрода. Но в ряде случаев (при сварке тонких листов, некоторых цветных метал­лов, при сварке в среде углекислого газа и др.) приме­няют и «обратную полярность», когда электрод явля­ется анодом.

Оборудование для дуговой сварки используется и при резке и наплавке металлов, например, при ручной дуговой резке металлическим или угольным электродом открытой дугой, аргонодуговой резке и наплавке и т. п.

Контактная электросварка имеет следующие разно­видности: стыковая сварка, точечная и роликовая (шов­ная). Сварку производят на контактных машинах пере­менным однофазным током большого значения (до ты­сяч и десятков тысяч ампер) при малых напряжениях (единицы вольт) или мощными однополярными импульсами тока (только для точечной и роликовой сварки).

При стыковой сварке (рис. 2.2, а) детали сваривают по всей плоскости их касания. В зависимости от марки металла, площади сечения и требований к качеству соединения процесс стыковой сварки осуществляют по-разному. Для сравнительно малых сечений свариваемых деталей (до 300 мм²) применяют стыковую сварку сопротивлением. Заготовки с механически обработанными и зачищенными торцами устанавливают в стыковую машину и закрепляют усилием F₃. После этого их при­жимают одну к другой усилием осадки F_uc определенно­го значения и пропускают через них ток от трансфор­матора ТрС. При нагреве металла в зоне сварки до пластического состояния происходит осадка. Ток выклю­чают еще до окончания осадки. При больших сечениях применяют стыковую сварку оплавлением. Ее произво­дят в три стадии: предварительный подогрев, оплавле­ние и окончательная осадка, или только в две послед­ние стадии.

б)

а б

Р и с. 2.2. Разновидности контактной сварки

Предварительный подогрев в зажимах машины выполняют периодическим смыканием и размы­канием деталей при постоянно включенном токе. При этом происходит процесс прерывистого оплавления тор­цов. Затем детали непрерывно медленно сближают; заго­товки прогреваются в глубину до пластического состоя­ния, а на торцах возникает тонкий слой расплавленного металла, после чего резко увеличивают скорость сближе­ния, осуществляя осадку небольшим усилием F_oc. Сты­ковая сварка оплавлением дает более высокую проч­ность шва, не требует предварительной механической обработки, позволяет сваривать детали из разнородных металлов.

При точечной сварке листов (рис. 2.2, б)детали со­единяют сваркой в отдельных местах, условно называе­мых точками. Заготовки устанавливают между элект­родами точечной машины и плотно сжимают усилием F. Включают ток, и заготовки быстро нагреваются, особен­но в месте контакта – чечевицеобразной «точке» под электродами, где металл расплавляется и обра­зуется сварная точка, диаметр которой обычно близок к диаметру электродов. После этого ток выключают и заготовки кратковременно выдерживают между электро­дами под действием усилия F. Точечная сварка приме­няется для соединения не только листовых заготовок между собой, но и листовых заготовок со стержнями или уголками, швеллерами и т. п. Свариваемые детали могут быть из однородных и из разнородных металлов. Толщина загото­вок – от сотых долей миллиметра до 35мм. Разновид­ностью точечной сварки является так называемая рель­ефная сварка. Она характерна тем, что на одной из за­готовок предварительно изготовляют выступы (релье­фы) круглой, продолговатой или иной формы. Сварку осуществляют одновременно по всем рельефам или по­следовательно один за другим.

Роликовая сварка (рис. 2.2, в) заключается в том, что заготовки соединяют непрерывным прочноплотным сварным швом, который состоит из ряда последователь­ных точек, частично перекрывающих друг друга. Заго­товки устанавливают в сварочной машине между роли­ками, один из которых ведущий, или между одним ведущим роликом и оправкой. На ролики действует уси­лие F механизма давления, и к ним подведен ток. Наи­более распространены два способа роликовой сварки: 1) прерывистым (импульсным) включением тока при непрерывном вращении роликов; 2) включением тока при неподвижных роликах и вращением роликов при выклю­ченном токе (шаговая сварка).

2.2. Характеристики сварочной дуги

Статические вольт-амперные характеристики сварочной дуги, т. е. зависи­мости в установившемся процессе сварки напряжения дуги от сварочного тока (тока дуги), показаны на рис. 2.3 для трех различных значений длины дуги. В области I, т. е. при малых токах (например, до 100 А для ручной сварки открытой дугой), характеристика дуги падающая. При средних значениях тока (например, от 100 до 1000 А для ручной сварки открытой дугой и автоматической сварки под флюсом тонкой проволокой) напряжение дуги практически не зависит от тока (об­ласть II). В этом случае

,

где а и b – постоянные коэффициенты; l _д – длина дуги. Значения обычно лежат в пределах 25-50 В для ручной сварки открытой дугой, 30-40 В для сварки под флюсом и 20-30 В для сварки в среде защитных га­зов.

Р и с. 2.3. Статические вольт-амперные характеристики сварочной
дуги (Д) и внешние характеристики источника питания (И):

1 – короткая дуга; 2 – средняя дуга; 3 – длинная дуга

При больших токах (свыше 1000 А для автоматиче­ской сварки под флюсом толстой проволокой), т.е. в об­ласти III, дуга имеет возрастающую характеристику. Для сварки в среде защитных газов эта область харак­теристики начинается при значительно меньших токах.

Сварочная дуга переменного тока менее устойчива, чем дуга постоянного тока. В каждый полупериод переменного тока дуга угасает и вновь зажигается (восстанавливается). Перерывы в горении дуги будут тем меньше, чем выше напряжение холостого хода источни­ка (при прочих равных условиях).

Для сварки открытой дугой напряжение зажигания U₃ связано с напряжением дуги зависимостью

.

При сварке на больших токах под флюсом U₃ мало отличается от 1/_л.

2.2.1. Требования к источникам питания сварочной дуги

Устойчивость дуги в процессе сварки зависит от соот­ветствия внешней характеристики источника форме статической характеристики дуги в данном процессе. Внешняя характеристика И источника (рис. 2.3) может быть круто падающей (кривая г),по­лого падающей (кривая б)и жесткой (кривая в).

Для ручной дуговой сварки, ряда режимов автома­тической сварки под флюсом и некоторых видов сварки в среде защитных газов внешняя характеристика ис­точника должна быть круто падающей. Чем круче харак­теристика а в рабочей части (точка М на рис. 2.3), тем меньше колебания тока при изменении длины дуги. При таких характеристиках напряжение холостого хода ис­точника , которое по условиям техники безопасности не должно превышать 90 В, всегда больше напряжения дуги , что облегчает первоначальное и повторное за­жигания дуги, особенно при сварке на переменном токе. Кроме того, ограничивается ток КЗ который по от­ношению к рабочему току должен находиться в пределах

При автоматической сварке под флюсом тонкой про­волокой в большинстве случаев используется полого падающая характеристика источника б. При сварке в среде защитных газов на постоянном токе для режимов, когда статическая характеристика 2 дуги возрастающая (точка N), целесообразно применение источника с же­сткой характеристикой в.

Источники сварочного тока должны обеспечивать возможность настройки различных режимов сварки, т.е. установления выгоднейшего значения рабочего тока при заданном напряжении дуги . Поэтому источ­ники тока выполняются регулируемыми, позволяя в оп­ределенном диапазоне изменений тока и напряжения получить семейство внешних характеристик с плавным или ступенчатым переходом с одной характеристики на другую.

Источники тока в установках ручной дуговой сварки предназначаются для работы с одним сварочным постом (однопостовые) или для работы с несколькими постами (многопостовые). Источники для многопостовой сварки должны иметь жесткие внешние характеристики. Каж­дый пост подключается при этом через свой балластный реостат. Источник питания должен быть рассчитан на опре­деленную номинальную нагрузку , при которой он может работать, не перегреваясь выше допустимых норм.

Режим работы источника для ручной сварки характе­ризуется продолжительностью работы ПР – отношени­ем времени сварки ко времени цикла , где t_П – время пауз. Обычно ПР выражают в процентах:

Условно за номинальный режим принимают для однопостовых источников мин, мин. Тогда = 60%. Для многопостовых источников

а б в г

Р и с. 2.4.Схема устройства сварочных трансформаторов

Номинальный режим работы источников для авто­матической и полуавтоматической сварки устанавливают при продолжительности включения = 60 или 100%, которая определяется так же, как и ПР, но при ПВсчитается, что в периоды пауз источник отключается от сети питания, и время цикла равно 10 мин.

2.3.Основы теории и конструкции
сварочных трансформаторов

Основными источниками питания для сварки на переменном токе служат однофазные сварочные трансформаторы с первичным напря­жением 220 или 380 В. Однопостовые трансформаторы с падающими характеристиками подразделяются на две группы: трансформаторы с нормальным магнитным рас­сеянием и дополнительной реактивной катушкой – дрос­селем; трансформаторы с повышенным магнитным рас­сеянием. Трансформаторы второй группы можно разде­лить на три основных типа: трансформаторы с подвиж­ными катушками, трансформаторы с магнитным шунтом, трансформаторы с витковым (ступенчатым) регу­лированием. Схемы устройства современных однопостовых сварочных трансформаторов показаны на рис. 2.4.

В трансформаторах с нормальным магнитным рас­сеянием и дополнительной реактивной катушкой (рис. 2.4, а) имеется общий магнитопровод с тремя обмот­ками: первичной 1, вторичной 5 и реактивной 3. Верхняя часть магнитопровода разъемная и имеет подвижный магнитный шунт 4. Изменением положения шунта, т. е. величины зазора в магнитопроводе, можно регулиро­вать вторичный (сварочный) ток. Чем больше зазор, тем большим будет и ток. Перемещение шунта производится электроприводом с дистанционным управлением. По такой схеме изготовляют­ся трансформаторы типов ТСД (на 500, 1000 и 2000 А) и СТ (на 1000 и 2000 А). Эти транс­форматоры (за исключением ТСД-500) имеют несколько ступеней изменения напряже­ния холостого хода путем переключения отпаек вторич­ной обмотки и предназначены для автоматической сварки под флюсом. Трансформатор ТСД-500 на номинальный ток 500 А при ПВ= 60% с = 80 В и пределах регу­лирования сварочного тока от 200 до 600 А используется так­же и для ручной дуговой сварки.

В трансформаторах с подвижными катушками (рис. 2.4, б) для регулирования сварочного тока изменяют расстояние между первичной (неподвижной) 1 и вторич­ной обмоткой 5. Катушки вторичной обмотки скользят по стержням магнитопровода 2. При сближении обмоток 5 и 1 индуктивность рассеяния уменьшается, что приво­дит к увеличению сварочного тока. Катушки вторичной обмотки перемещаются вручную при помощи винтово­го механизма. На таком принципе построено большинст­во выпускаемых в настоящее время сварочных транс­форматоров (типов ТС на токи от 120 до 500 А, ТСК и ТД на токи 300 и 500 А).

Трансформаторы типов ТД-303 (рис. 2.5) и ТД-504 имеют переключатель диапазонов, при помо­щи которого катушки обеих обмоток переключа­ются с параллельного соединения на последовательное; это дает два диапазона изменения сварочного тока. На­пример, трансформатор ТД-504 на номинальный ток 500 А (при ПР=60%) в диапазоне I позволяет при =60 В регулировать сварочный ток от 240 до 750 А, в диапазоне II при =70 В – oт 75 до 240 А. Номи­нальное вторичное напряжение =30 В.

Трансформаторы типов ТС и ТСК (последние отли­чаются от трансформаторов типа ТС наличием конден­саторов, включенных параллельно первичным обмоткам для повышения ), а также типа ТД предназначены для ручной дуговой сварки.

В трансформаторах с магнитным шунтом (рис. 2.4, в) изменение индуктивного сопротивления рассеяния про­изводится при помощи магнитного шунта 4, расположен­ного в окне магнитопровода 2 между разнесенными ка­тушками первичной 1 и вторичной 5 обмоток. При уменьшении зазора между сердечником и шунтом сва­рочный ток уменьшается. На этом принципе устроены трансформаторы типа СТШ на токи 250, 300 и 500 А. Некоторые из этих трансформаторов имеют переключа­тель соединения катушек обмоток 1 и 5 спараллель­ного на последовательное, а также устройство, обеспе­чивающее отключение трансформатора от сети через 0,5-1 с после прекращения процесса сварки. Трансфор­маторы типа СТШ предназначены для ручной дуговой сварки и автоматической сварки под флюсом.

Трансформаторы с магнитным шунтом, подмагничиваемым постоянным током (см. рис. 2.4, г), имеют в окне магнитопровода 2 между катушками 1 и 5 шунт 4,на котором размещена обмотка подмагничивания 6. Изменяя ток в этой обмотке, можно регулировать индуктивное сопротивление рассеяния основных обмо­ток. При = 0 это сопротивление минимально и сва­рочный ток наибольший. Увеличение приводит к уменьшению сварочного тока. Подобную конструкцию имеют трансформаторы типов ТДФ-1001 и ТДФ-1601 (соответственно на 1000 и 1600 А при ПВ_НОМ = 100%) для автоматической сварки под флюсом. Трансформаторы позволяют осуществить ступенчато-плавное регулирование сварочного тока. Ступенчатое регулиро­вание достигается переключением катушек 5 вторич­ной обмотки, плавное – изменением тока , для чего обмотка 6 питается от однофазного тиристорного вы­прямителя.

У трансформаторов с витковым регулированием (на­пример, типа ТСП-1 на 180 А при ПР=50%) вторичная обмотка секционирована, а повышенное рассеяние до­стигается размещением первичной и большей части вто­ричной обмотки на разных стержнях.

Все сварочные трансформаторы имеют естественное воздушное охлаждение и заключены в металлический кожух, установленный на двух или четырех катках или на двух полозьях (рис. 2.5).

2.4. Осциллятор

Осциллятор предназначен для питания сварочной дуги токами высокой частоты и высокого напряжения параллельно со сварочным трансформатором, что облег­чает зажигание дуги и повышает ее устойчивость. Мощ­ность осциллятора составляет всего 100-250 Вт. Часто­та тока 150-260 кГц и напряжение 2-3 кВ дают воз­можность зажигать дугу даже без соприкосновения электрода с деталью. В то же время ток такой частоты и напряжения безопасен для человека.

Р и с. 2.6. Электрическая схема осциллятора

Схема осциллятора (рис. 2.6) содержит: низкочас­тотный повышающий трансформатор Тр1 высокочас­тотный трансформатор Тр2 с обмотками, имеющими катушки индуктивности L1 и L2; разрядник Рк; кон­денсаторы С1 и С2. Напряжение вторичной обмотки Tp1, изменяясь по синусоиде, заряжает конденсатор С1 и при некотором своем значении вызывает пробой раз­рядника Рк. В результате колебательный контур L1, С1 оказывается практически закороченным и в нем воз­никают затухающие колебания высокой частоты. Через обмотку L2 и защитный конденсатор С2 эти колебания прикладываются к дуговому промежутку. Такую схему включения осциллятора называют параллельной, по­скольку колебательный контур осциллятора по отношению к дуге включен параллельно с источником пита­ния – сварочным трансформатором ТрС. Конденсаторы С включены в первичную цепь трансформатора Tp1 для уменьшения помех радиоприему.

Осцилляторы применяют при сварке дугой малой мощности, при ручной аргонодуговой сварке неплавящимся электродом, при значительном падении напря­жения в силовой сети 380 В и в ряде других случаев.

3. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ

3.1. Измерительные трансформаторы
напряжения и тока (общие сведения)

Измерительные трансформаторы применяются для расширения пределов измерения электроизмерительных приборов в цепях переменного тока и обес­печения безопасности обслуживания последних в сетях высокого напряжения. Кроме того, измерительные трансформаторы используются для включения приборов релейной защиты.

Измерительный трансформатор напряжения применяется при измерениях в сетях переменного тока напряжением свыше 220 В.Трансформатор напря­жения представляет собой понижающий трансформатор (рис. 3.1, а) с таким отношением витков в первичной и во вторичной обмотках, чтобы при номи­нальном первичном напряжении вторичное напряжение составляло 100 В. Во вторичную цепь трансформатора напряжения включаются вольтметры, частотомеры и обмотки напряжения ваттметров, счетчиков энергии и фазо­метров. Так как электрическое сопротивление этих приборов велико (порядка тысяч Ом), то трансформатор напряжения обычно работает в режиме, близ­ком к режиму холостого хода. Это дает возможность пренебречь падением напряжения в обмотках и принять

; ;

а так как, то напряжение в первичной обмотке

.

Здесь К _н – коэффициент трансформации трансформатора напряжения.

Измерительные трансформаторы изготавливаются однофазными и трех­фазными на первичное напряжение от 380 до 400 000 В. В трехфазных изме­рительных трансформаторах напряжения применяется группа соединения 12.

При напряжении до 3000 Втрансформаторы напряжения де­лаются сухими.

Р и с. 3.1. Схемы измерительных трансформаторов
напряжения (а) и тока (б)

При напряжениях более 3000 Втрансформаторы напряжения де­лаются масляными, что необходи­мо для большей электрической прочности изоляции обмоток.

В целях безопасности один из выводов вторичной обмотки и ко­жух трансформатора напряжения заземляются. Измерительный трансформатор токаприменяется для включения амперметров и обмоток тока ваттметров, счетчиков энергии и фазометров.

Первичная обмотка трансформатора тока выполняется из провода большого сечения и включается в сеть последовательно (рис. 3.1, б). Количество витков в обмотках трансформатора выбирается таким, чтобы при номинальном токе в первичной обмотке ток во вторичной цепи был 5 А.

Так как электрическое сопротивление приборов, включаемых во вторич­ную цепь, незначительно, то режим работы трансформатора тока близок к режиму короткого замыкания, при котором магнитный поток в магнитопроводе настолько мал, что им можно пренебречь. Тогда, по аналогии с уравнением токов, для опыта короткого замыкания можно записать следующее равенство для трансформатора тока:

,

откуда

,

где – коэффициент трансформации трансформатора тока.

При включении трансформатора тока в сеть заземляются кожух и один вывод вторичной обмотки.

Если во время работы трансформатора тока разомкнуть его вторичную обмотку, то ток в ней станет равным нулю, а первичный ток останется преж­ним. При этом он будет полностью намагничивающим и вызовет значительное увеличение магнитного потока. Магнитные потери возрастут пропорционально квадрату потока, что приведет к перегреву магнитопровода, опасному для целости изоляции. В итоге это может привести электрическую линию к ко­роткому замыканию на землю. Кроме того, ЭДС вторичной обмотки воз­растет пропорционально магнитному потоку и достигнет значений, опасных для обслуживающего персонала. Поэтому размыкание вторичной цепи трансформатора тока при наличии тока в первичной обмотке является недопустимым. При необходимости отключения прибора нужно зажимы вторичной обмотки трансформатора тока замкнуть накоротко.

3.2. Трансформаторы тока

3.2.1. Общие сведения

Для удобства измерения тока в установках высокого на­пряжения и изоляции измерительных приборов и устройств релейной защиты от высокого напряжения служат трансформаторы тока (ТТ). ТТ имеет замкнутый магнитопровод с двумя обмотками. Через первичную обмотку пропускает­ся измеряемый ток, вторичная обмотка подключается к из­мерительным приборам или реле. Первичная обмотка изолирована от вторичной в соответствии с классом изоляции аппарата. Один вывод вторичной обмотки обязательно за­земляется.

В случае повреждения изоляции приборы и реле оста­ются под потенциалом земли. Схема включения трансфор­матора тока ТА показана на рис. 3.2, а. В цепь вторичной обмотки включаются измерительные приборы или реле, яв­ляющиеся нагрузкой ТТ (R₂, Х₂, Z₂).Ток в первичной об­мотке ТТ определяется сопротивлением ,которое на не­сколько порядков выше, чем входное сопротивление ТТ при любом сопротивлении нагрузки Z₂. Для анализа работы ТТ целесообразно перейти от схемы замещения с магнитной связью обмоток (рис. 3.2, 6) к схеме замещения с электри­ческой связью обмоток (рис. 3.2, в). При этом параметры ТТ приводятся ко вторичной обмотке. На этой схеме – параметры первичной обмотки, приведенные ко вторичной обмотке; r₂ – активное сопро­тивление вторичной обмотки, х₂ – индуктивное сопротив­ление вторичной обмотки; R₂, X₂ – параметры нагрузки и – параметры ветви намагничивания. В качестве ко­эффициента приведения параметров схемы ко вторичной об­мотке применено отношение числа витков. При та­ком коэффициенте приведения значение х₂ может быть от­рицательным. Параметр х₂ в Т-образной схеме замещения является чисто расчетным, и отрицательный знак не имеет физического смысла.

Р и с. 3.2.Схемы включения и замещения трансформатора тока

Поскольку и включены после­довательно с большим сопротивлением, то на работу ТТ они не влияют и схема замещения принимает вид, показан­ный на рис. 3.2, г.

Основными параметрами ТТ являются следующие.

1. Номинальное напряжение – линейное напряжение энер­госистемы, в которой ТТ должен работать. Это напряжение определяет изоляцию между первичной обмоткой, находя­щейся под высоким потенциалом, и вторичной, один конец которой заземлен.

2. Номинальный первичный и вторичный токи – длительные токи, которые аппарат может пропускать. ТТ обычно имеют запас по нагреву и позволяют длительно пропускать токи, которые примерно на 20% выше номи­нального значения. Номинальный вторичный ток ТТ прини­мается равным 1 или 5 А.

3. Номинальный коэффициент трансформации – отношение номинальных значений первичного и вторичного токов:

Действительный коэффициент трансформации не равен номинальному вследствие погрешности, вызываемой поте­рями в трансформаторе.

4. Токовая погрешность в процентах определяется выраже­нием

где I ₂ – вторичный ток; – первичный приведенный ток.

В соответствии с ГОСТ 7746–78 приняты следующие условные положительные направления токов: первичного тока – ток втекает в начало первичной обмотки, вторичного – ток вытекает из начала вторичной обмотки (рис. 3.2, б). Обе обмотки намотаны в одну сторону. При таком положительном направлении токов в ТТ без погрешностей векторы вторичного и первичного токов совпадают по фазе. В реальном ТТ между векторами и I ₂ существует угол, который называется угловой погрешностью и измеря­ется в минутах. Если вторичный ток опережает первичный, то погрешность по углу положительная. Угловую погреш­ность необходимо учитывать при определении активной мощности цепи, равной UI cos, где – угол между то­ком и напряжением , а также при измерениях энергии и в ряде релейных защит, работа которых зависит от уг­ла . Классы точности и нормированы. Класс точности трансформатора определяет­ся его погрешностью по току в процентах при первичном токе, равном 100-120% .

В зависимости от погрешности по ГОСТ 7746–78 разли­чают классы точности 0,2; 0,5; 1; 3; 5; 10.

Наряду с токовой и угловой погрешностью ГОСТ 7746–78 предусмотрена полная погрешность , %; она ха­рактеризует относительный намагничивающий ток:

где – действующее значение первичного тока; i₂ – мгно­венное значение вторичного тока; – мгновенное значение первичного тока; Т – период частоты переменного тока (0,02 с).

5. Номинальная нагрузка ТТ – сопротивление нагрузки , Ом, при котором ТТ работает с заданным классом точности при номинальном значении =0,8. Иногда применяется понятие номинал:

Поскольку значение тока стандартизовано, то но­минальное сопротивление нагрузки однозначно определяет и номинальную мощность трансформатора.

6. Номинальная предельная кратность – кратность первичного тока по отношению к его номинальному значению, при которой полная погрешность достигает 5 или 10%. Соответственно, ТТ имеют класс точности 5Р и 10Р. Нагрузка и ее коэффициент мощности должны быть номинальными.

7. Максимальная кратность вторичного тока – отношение наибольшего вторичного тока к его номинальному значению при номинальной вторичной нагрузке. Максимальная кратность вторичного тока определяется насыщением магнитопровода, когда дальнейшее возрастание первичного тока не ведет к возрастанию потока.

В аварийном режиме ТТ обтекаются током КЗ и их обмотки подвергаются воздействию больших токов.

8. Динамическая стойкость ТТ (кратность) определяется отношением допустимого ударного тока КЗ к амплитуде номинального первичного тока.

9. Термическая стойкость (кратность) задается отношением допустимого в течение 1 с тока КЗ к номинальному зна­чению первичного тока.

Так как ток первичной обмотки задается сетью, то наибольшим термическим и динамическим воздействиям под­вергается первичная обмотка. Вторичный ток часто ограни­чивается насыщением магнитопровода, и поэтому вторичная обмотка работает в облегченных условиях.

3.2.2. Погрешности ТТ, зависимость погрешностей
от различных факторов

3.2.2.1. Зависимость погрешности от первичного тока

В про­цессе работы первичный ток ТТ изменяется в широких пре­делах – примерно от 5% до тока КЗ. Ради упроще­ния можно положить, что sin. Тогда

.

Так как , то

При изменении первичного тока изменяется только про­ницаемость .

Если, то , т.е. с ростом первичного тока индукция в магнитопроводе растет линейно.

Абсолютная магнитная проницаемость материала и индукция В_т связаны кривой на рис. 3.3. На том же рисунке приведена кривая В_т(Н). С ростом пер­вичного тока вначале увеличивается и погрешность падает, достигая при ми­нимального значения. При дальнейшем росте первич­ного тока проницаемость падает из-за насыщения магнитопровода, а погреш­ность увеличивается.

ТТ не должен иметь боль­ших погрешностей при номи­нальном токе и токе