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 Ф_полн., часть которого замыкается по сердечнику Ф_т (основной поток), а часть по воздуху Ф_1р.

 

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:

К_м=Ф₂/Ф_полн.

где Ф₂ - поток пронизывающий II обмотку;

Ф_полн. - суммарный магнитный поток.

К_м 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 обмоткой имеют 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.