5. Трансформаторы для дуговой сварки
Сварочные трансформаторы (СТ) используются для сварки на симметричном знакопеременном токе. Они могут иметь крутопадающие и пологопадающие ВСХ. Первые служат для ручной сварки покрытым штучным электродом (MMA), вторые – для сварки под флюсом.
По способу регулирования режима различаются СТ со ступенчатым регулированием путем переключения отводов обмоток и с плавным регулированием (механическим либо тиристорным).
Механическое регулирование осуществляется либо за счет перемещения обмоток СТ, либо перемещения магнитного шунта.
В обоих случаях изменяется связь между первичными и вторичными обмотками. В СТ с подвижными обмотками (катушками) регулируется составляющая основного магнитного потока, охватывающая обе системы обмоток. В СТ с подвижным магнитным шунтом часть потока ответвляется и замыкается через шунт минуя вторичные обмотки.
В СТ с тиристорным регулированием изменяется намагничивающий ток за счет управляемой задержки включения полупроводниковых вентилей, установленных в фазе питающей сети.
Во всех случаях достигается изменение формы ВСХ СТ.
5.1. СТ с подвижными катушками.
Устройство этого СТ поясняет рис. 5.1.
В
состав его входит магнитопровод
стержневого типа и разделенные на секции
первичная
и вторичная
обмотки.
Для
расширения диапазона
расстояний
между катушками магнитопровод развит
в высоту. Обычно перемещается система
вторичных обмоток, а первичные обмотки
неподвижны.
На рис. 5.1 обозначено:
a, b – ширина и толщина магнитопровода;
,
- высота и ширина окна магнитопровода;
- расстояние между обмотками;
,
- размеры лобовых частей первичной и
вторичной обмоток;
,
- высоты первичной и вторичной обмоток;
, - числа витков секций первичной и вторичной обмоток.
Р
ис.
5.1
С
вторичными обмотками сцеплена часть
основного потока
,
создаваемого первичной обмоткой,
зависящая от расстояния
между катушками. Остальная часть
- поток рассеяния, составляющие которого:
потоки в окне в области катушек
;поток через воздушный зазор между стержнями вне катушек
;потоки, замыкающиеся через лобовые части
.
Форму ВСХ СТ определяет расстояние , от которого в свою очередь зависит составляющая потока рассеяния. Минимальному соответствует предельная ВСХ (линия 1 на рис. 5.1,а), максимальному – линия 2.
Регулировочная характеристика СТ с подвижными катушками нелинейна. Кратность изменения тока не превышает 4. Для расширения диапазона регулирования применяют переключение отводов первичной обмотки, однако при этом изменяется напряжение холостого хода.
Расчет трансформатора с подвижными катушками.
В первую очередь строят желаемое семейство ВСХ (рис. 5.1, а). По этим характеристикам определяются максимальное и минимальное значения реактивных сопротивлений трансформатора:
(*)
Вычисляется число вольт на 1 виток
обмоток
,
где
,
кВА – длительная мощность. Числа витков
первичной и вторичной обмоток:
- напряжение питающей сети.
Числа витков секций обмоток:
при параллельном соединении секций,
- при последовательном соединении.
Площадь поперечного сечения стали
магнитопровода
,
см²,
-
частота сети ( обычно 50 или 60 Гц),
- амплитудное значение магнитной
индукции. Если нет других ограничений,
для горячекатанных сталей
можно принять 1,4 – 1,5 Тл.
Конструктивные коэффициенты p1
и p2 выбираются в
зависимости от номинального сварочного
тока. Бóльшим значениям тока соответствуют
бóльшие значения p1,
p2 В диапазоне токов
250 – 500 А p1=1,8 – 2,2;
p2=1,0 – 1,2. Коэффициент
заполнения сечения магнитопровода
сталью
можно
принять равным 0,95 – 0,97.
Ширина пластин стержня а (рис. 4.1, б)
,
мм.
Высота пакета (толщина набора) b
= p1
,
мм.
Номинальное значение тока первичной
обмотки
-
коэффициент, учитывающий ток холостого
хода. Его значение 1,05 – 1,1.
Допустимая плотность тока j для алюминиевых проводов – 2 А/мм², для медных – 3 А/мм².
Площади сечения проводов обмоток
,
мм² при параллельном соединении секций,
- при последовательном соединении. По
этим данным выбирается тип и размер
обмоточных проводов (шин). Между катушками
и магнитопроводом следует ввести
вентиляционные каналы шириной 5 – 10 мм.
Нахождение геометрии обмоток (конфигурация катушек, число слоев) проводится на основании простых геометрических построений, пробных эскизов.
В зависимости от результата следующего этапа – проверочного расчета (определения реактивных сопротивлений по разработанной конструкции, проверки диапазона токов) может возникнуть необходимость изменений конструкции трансформатора и пересчетов.
Индуктивное сопротивление трансформатора, приведенное к вторичной обмотке:
,
где
- сопротивление, определяемое потоком
в окне в пределах катушек (рис. 5.1, в):
,
где
,1/c,
,
Гн/м,
и
- высоты катушек, м.
- сопротивление, определяемое потоком
в лобовых частях обмоток:
,
где
- условная средняя длина витка первичной
и вторичной обмоток, м,
.
Средние геометрические расстояния между парами обмоток и между данной обмоткой и ее зеркальным отображением в магнитопроводе:
;
где
средний размер лобовых частей катушек,
м;
-
средняя высота катушек, м.
- сопротивление, определяемое магнитным
потоком между стержнями вне обмоток.
Именно эта величина зависит от расстояния
между обмотками, а ее значения влияют
на регулировочную характеристику
трансформатора.
Окончательные значения индуктивных сопротивлений:
;
.
Проверка
диапазона сварочных токов состоит в
решении уравнений (*) относительно
минимального
и максимального
их значений при замене
на
.
Проектирование можно считать успешным,
если результат соответствует или
перекрывает заданный диапазон токов.
5.2 СТ с подвижным магнитным шунтом.
Магнитный шунт представляет собой пакет пластин из того же материала (трансформаторной стали), что и основной магнитопровод трансформатора (рис. 5.2, а).
Регулирование сварочного тока осуществляется путем перемещения шунта в направлении, перпендикулярном плоскости (рис. 5.2).
Рис. 5.2
Когда шунт полностью вдвинут в окно магнитопровода, значительная часть магнитного потока замыкается по нему, связь между первичной и вторичной обмотками минимальна, ВСХ трансформатора также соответствует минимальному току.
Напротив, при полностью вынутом шунте влияние его отсутствует, а ВСХ обеспечивает номинальный режим.
Расчет полностью аналогичен изложенному выше для трансформатора с подвижными катушками до вычисления значений приведенных к вторичной обмотке реактивных сопротивлений.
Сопротивление
трансформатора с магнитным шунтом имеет
дополнительную составляющую
:
.
Значение
является переменным и зависит от площади
,
перекрываемой шунтом:
.
Оно определяется выражением
,
Ом.
=
1,1 – 1,2 – коэффициент, учитывающий
«выпучивание магнитного потока»,
d1,
d2
– размеры зазоров между магнитопроводом
и шунтом (рис. 5.2, б).