Сварочные трансформаторы

Назначение, классификация, достоинства и недостатки. Принцип действия и устройство трансформатора. Классификация конструкции трансформаторов. Особенности сварочной дуги переменного тока. Критерии устойчивости дуги переменного тока

Сварочные трансформаторы

Трансформатор - статический электромагнитный преобразователь переменного тока одного напряжения в другое без изменения частоты. Работа его основана на электромагнитном взаимодействии двух или нескольких не связанных между собой электрических контуров (обмоток, см. рис. 2.1).

 

 

Рисунок 2.1. – Конструкция трансформатора

Обмотки пронизывает общий магнитный поток. Для усиления магнитного потока сердечник выполняется замкнутым. Он выполняется из листовой электротехнической стали с изоляцией пластин друг от друга (лаком или оксидированием) или из специальных спеченных материалов - ферритов. Сердечник может быть стержневой, броневой и тороидальный.

 

Энергетически наиболее эффективным является тороидальный сердечник, но трудности намотки обмоток достаточно существенны. Стержневой сердечник позволяет получить достаточно высокие характеристики, намотка обмоток упрощена, но расположение обмоток (особенно в трансформаторах с увеличенным магнитным рассеянием) на разных стержнях может привести к неоправданным потерям в пространстве около обмоток, корпусе источника. Броневой сердечник хорошо защищает обмотки от внешнего воздействия.

 

К несомненным преимуществам этого оборудования относят довольной высокий КПД от 70 до 90%, простоту работы и высокую ремонтопригодность. Кроме этого аппараты этого класса отличает невысокая стоимость.
Вместе с тем, аппараты этого типа иногда не в состоянии обеспечить постоянство горения дуги. Это обусловлено характеристиками переменного тока. Для получения качественной сварки целесообразно применять электроды, адаптированные для работы с переменным током. Кроме того, на качестве сварки отрицательно сказываются и колебания напряжения на входе.

Особенности сварочной дуги переменного тока.

 

Условия горения дуги переменного тока отличаются от дуги постоянного тока. При питании синусоидальным напряжением f = 50 Гц активное пятно 100 раз в секунду меняет свое расположение (50 раз - на электроде, 50 раз - на изделии).

К концу каждого полупериода напряжение уменьшается до нуля, напряженность электрического поля уменьшается, ионизация газа в дуге уменьшается, ток дуги резко снижается.

Схема питания дуги от переменного тока с активным сопротивлением в цепи. Осциллограммы токов и напряжений показаны на рисунке 2.1.

Сила тока во вторичной цепи трансформатора i₂ и напряжение на дуге U_д несинусоидальны (т. к. дуга - нелинейный проводник).

При анализе такой дуги принято: индуктивность трансформатора очень мала и максимумы и нули кривых i₂ и U₂ совпадают. При достижении И₂ значения U₃ (напряжение зажигания) загорается дуга. Сопротивление нагрузки падает, ток возрастает, напряжение на дуге падает. Во время t = t_i напряжения источника не хватает для поддержания дугового разряда и он угасает. Ток снижается, однако он не равен нулю, вероятно, вследствие наличия малой проводимости плазмы и небольшой эмиссионной способности электродов. При t = t₂ снова создаются условия для существования дуги и она возбуждается.

 

 

 

Рисунок 2.2 - Осциллограммы тока i₂, напряжений U₂, U_д

 

Вывод: при наличии в сварочном контуре только активного резистора есть такой промежуток времени, в течение которого дуга отсутствует.

Этот промежуток времени зависит от напряжения холостого хода источника питания, частоты электрического тока и от напряжения зажигания, которое зависит от многих факторов (главное - от свойств среды между электродами).

Снизить время паузы в горении дуги можно введением в состав покрытий элементов с низким потенциалом ионизации, повышением напряжения холостого хода и частоты.

Можно облегчить зажигание применением осцилляторов и импульсных возбудителей. Но на практике часто применяют включение вместо резистора - индуктивность или применяют трансформатор, у которого обмотки обладают большой индуктивностью).

Питание электрической дуги переменного тока в цепи с индуктивностью. Осциллограмма для такой дуги показана на рис. 2.3.

Введение индуктивности во вторичную цепь приводит к появлению сдвига фаз между током и напряжением на угол ф, численное значение которого зависит от соотношения активной и индуктивной составляющих цепи.

Из осциллограммы видно, что перерывы в горении дуги отсутствуют. Зажигание дуги происходит при напряжении источника выше напряжения зажигания, что облегчает этот процесс и повышает устойчивость дуги.

 

 

Рисунок 2.3 - Осциллограммы параметров дуги с индуктивностью

 

Функции индуктивности:

1. Получение падающей характеристики.

2. Регулировка режима сварки.

3. Повышение устойчивости процесса.

Вывод: при введении индуктивности в цепь дуги переменного тока происходит сдвиг фаз между током и напряжением и переход тока через ноль происходит при высоком напряжении, что увеличивает надежность повторного зажигания дуги и повышает ее устойчивость.

Режимы работы трансформатора.

Холостой ход. В этом режиме вторичная обмотка разомкнута (рисунок 2.4), ток нагрузки равен нулю.

Подведенное напряжение сети U₁ вызывает в первичной обмотке ток I₀, который в свою очередь возбуждает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф₀, пронизывающий витки I и II обмотки. В них индуктируется ЭДС, пропорциональная скорости изменения магнитного потока и числу витков обмотки.

Если потоки рассеяния и падение напряжения в обмотках малы, то U = E₁, U₂ = E₂ (знаки не учитываются) т. к. частота тока и величина магнитного потока для I и II обмоток одинаковы.

 

 

Рисунок 2.4 - Электромагнитная схема трансформатора

 

Отношение ЭДС I и II обмоток равно отношению количества витков I и II обмоток.

 

Рабочий режим. В этом режиме (рисунок 2.5) нагрузка подсоединена ко вторичной обмотке и в ней есть ток.

 

 

Рисунок 2.5 – Работа трансформатора в рабочем режиме

 

Этот ток создает магнитный поток Ф2 направленный встречно Ф1 и суммарный магнитный поток в сердечнике трансформатора Ф = Ф1 - Ф2 (по правилу Ленца).

 

Таким образом, вторичный ток пытается ослабить главный магнитный поток. Это нарушает равновесие U1 ~ E1 и приводит к увеличению I1 (можно сказать, что при этом снижается сопротивление I обмотки). Первичный ток увеличивается настолько, чтобы скомпенсировать уменьшение суммарного потока. Однако не весь поток, созданный в I обмотке замыкается по сердечнику, часть его замыкается в пространстве, то же относится и ко II обмотке. Эти магнитные потоки (магнитные потоки рассеяния) наводят ЭДС только в своей обмотке (ЭДС рассеяния), т. е. изменяют их индуктивные сопротивления. Конструктивно по- разному выполняя обмотки и их взаимное расположение, можно изменять потоки рассеяния и регулировать энергетику источника.