8.Сварочные трансформаторы

8.1 Общая характеристика трансформаторов

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

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 режима.

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

Трансформаторы могут выполнятся на магнитопроводах стержневого, броневого или кольцевого типа (рис.8.1).Обмотки трансформатора могут располагаться совместно, например, концентрично одна поверх другой, или раздельно, на разных участках одного стержня или разных стержнях трансформатора.

а б в

Рисунок 8.1 Магнитопроводы стержневого (а ), броневого ( б ) и коль- цевого ( в ) типа

Сварочный трансформатор может работать в режиме холостого хода, в режиме нагрузки и в режиме короткого замыкания.

Трансформатор может быть выполнен с разнесенными обмотками, когда секции первичной и вторичной обмотки W₁ и W₂ размещены на разных стержнях магнитопровода, или на разных участках стержней магнитопровода

как показано на рис.8.2, или с совмещенными обмотками, когда секции первичной и вторичной обмотки размещаются совместно на стержнях магнитопровода, например концентрично одна поверх другой как показано на рис. 8.3.

Сварочный трансформатор может работать в режиме холостого хода, в режиме нагрузки и в режиме короткого замыкания.

а – конструкция; б – электрическая схема

Рисунок 8.2 - Конструкция и электрическая схема однофазного

сварочного трансформатора

Рисунок 8.3 - Конструкция однофазного трансформатора

С совмещенными обмотками

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

(8.1)

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

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

При работе трансформатора в режиме холостого хода поток рассеяния во много раз (10 …100 ) раз меньше основного потока, так как сопротивление магнитной цепи ферромагнитного магнитопровода во много раз меньше сопротивления магнитной цепи, по которой замыкается поток рассеяния.

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 = Cw₂Ф_10. (8.2 )

( 8.3 )

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

(8.4)

В трансформаторах с нормальным рассеянием, у которых первичная и вторичная обмотки совмещены К_М  1. В трансформаторах с увеличенным рассеянием, у которых первичная и вторичная обмотки разнесены К_М  1 (К_М = 0,9 – 0,98). 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:

. (8.5) 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.

Магнитным потокам рассеяния соответствуют эквивалентные индуктивности рассеяния

(8.6)

и индуктивные сопротивления X = ωL

(8.7)

где R_Т и Х_Т – эквивалентные активное и индуктивное сопротивления трансформатора.

Упрощенная векторная диаграмма трансформатора приведена на рис. 8.4.

Рисунок 8.4. - 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 . (8.8)

Если трансформатор выполнен с нормальным рассеянием, 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.

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

Трансформаторы с нормальным рассеянием широко применяются в качестве источников питания при контактной и электрошлаковой сварке, а также в сварочных выпрямителях с жесткими и универсальными внешними характеристиками.

При питании от такого трансформатора дуги переменного тока не обеспечивается сдвиг фаз между током и напряжением дуги, требуемый для ее непрерывного горения. То есть не выполняются условия

sin j ³ , (8.9)

где U₃ – напряжение повторного зажигания дуги.

(Сдвиг фаз j = arc tg мал, т.к. Х_Т » 0.)

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 (8.7) можно записать в виде

(8.10)

Из векторной диаграммы видно, что при этом справедливы соотношения

(8.11)

(8.12)

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

Ток короткого замыкания определится выражением

(8.13)

где R_Ц – сопротивление сварочной цепи, включающее сопротивление сварочных кабелей и сварочного электрода.

Трансформаторы с увеличенным рассеянием и падающими внешними характеристиками имеют значительное индуктивное сопротивление и ток короткого замыкания у них ограничен. I_КЗ = (1,2…1,5)I_СВ. Такие трансформаторы могут выдерживать довольно длительные короткие замыкания. Например, при «примерзании» электрода во время возбуждения дуги.

Трансформаторы с нормальным рассеянием обладают малым индуктивным сопротивлением. При этом ток короткого замыкания значительно превышает номинальный рабочий ток (I_КЗ = (5…10)I_СВ.НОМ ). Такие трансформаторы следует подключать к сети через устройство, обеспечивающее быстродействующую защиту от перегрузок.

В настоящее время известны десятки конструкций сварочных трансформаторов с падающими и пологопадающими характеристиками.

Самыми распространенными являются трансформаторы с падающими внешними характеристиками (ПВХ), формирующимися в большинстве случаев за счет повышенного магнитного рассеяния. Существуют различные способы получения развитого магнитного рассеяния и регулирования его степени. Наиболее известные – разнесение первичной и вторичной обмоток по высоте магнитопровода, введение пакетов стальных пластин на пути потоков рассеяния (магнитные шунты), размещение первичной и вторичной обмоток на разных стержнях магнитопровода трансформатора (ярмовое рассеяние). Отдельную группу составляют трансформаторы с тиристорным регулированием.