Трансформаторы с увеличенным магнитным рассеянием

В настоящее время промышленность выпускает в основном трансформаторы второй группы – с увеличенным магнитным рассеянием.

По сравнению с вышеописанными, трансформаторы с увеличенным магнитным рассеянием имеют следующие преимущества: они конструктивно проще, дешевле в изготовлении, удобнее в эксплуатации. Трансформаторы этой группы всегда имеют однокорпусное исполнение.

По способу регулирования сварочного тока различают две разновидности трансформаторов: с механическим регулированием и электрическим регулированием (без подвижных частей).

Падающая внешняя вольтамперная характеристика трансформатора обеспечивается в результате искусственного увеличения магнитных потоков (индуктивности рассеяния). Увеличивать магнитные потоки рассеяния и регулировать сварочный ток можно изменением расстояния между первичными и вторичными обмотками трансформатора, изменением положения магнитного шунта, тиристорным регулированием.

Трансформаторы с подвижными обмотками

Наиболее распространенными типами трансформаторов этой группы являются трансформаторы серии ТС, ТД, ТДМ. При РДС чаще всего используются однофазные трансформаторы, а в состав сварочных выпрямителей входят в основном трехфазные трансформаторы.

Принцип действия такого трансформатора иллюстрирует рис. 3.3. Наибольшее распространение получила конструктивная схема трансформатора со стержневым магнитопроводом 3, цилиндрическими первичной 1 и вторичной 2 обмотками, разбитыми каждая на две катушки. Подвижная обмотка (обычно вторичная) перемещается винтовым приводом 4. Основной поток трансформатора Ф_т замыкается по магнитопроводу, а потоки рассеяния Ф_1р и Ф_2р – по воздуху в пространстве между первичной и вторичной обмотками.

Рис. 3.3. Расчетная схема трансформатора с подвижными обмотками

Падающая внешняя характеристика у трансформатора с подвижными обмотками получается благодаря увеличенному магнитному рассеянию, вызванному размещением первичной и вторичной обмоток на значительном расстоянии друг от друга.

Плавное регулирование режима, как уже отмечалось, производится благодаря перемещению подвижных обмоток. Ступенчатое увеличение тока осуществляется переключением катушек первичных и вторичных обмоток с последовательного на параллельное соединение.

При кратности такого регулирования, равной 4, для стыковки двух диапазонов ступенчатого регулирования необходимо, чтобы и кратность плавного регулирования была равна 4. Тогда общая кратность регулирования составляет около 16. Индуктивное сопротивление трансформатора при параллельном соединении катушек:

. (3.4)

В этом уравнении все геометрические размеры по рис. 3.3 приведены в сантиметрах. Видно, что зависимость сопротивления трансформатора от расстояния между обмотками линейная.

Трансформаторы типа TС (рис. 3.4) имеют удлиненный магнитопровод, на нижнем ярме которого неподвижно закреплена первичная обмотка W₁. Вторичная обмотка W₂ подвижна и перемещается с помощью винтовой пары.

Рис. 3.4. Принципиальная схема трансформатора типа ТС

При изменении расстояния между обмотками изменяются магнитные потоки рассеяния. При увеличении расстояния между обмотками магнитные потоки рассеяния возрастают, индуктивное сопротивление вторичной обмотки возрастает, а сварочный ток уменьшается. При уменьшении расстояния между обмотками W₁ и W₂ идет обратный процесс.

Каждая обмотка состоит из двух катушек, расположенных попарно на общих стержнях магнитопровода. Регулировка сварочного тока плавная. Обмотки трансформатора выполнены из алюминиевого провода прямоугольного сечения марки АПСД (первичная) и алюминиевой плоской шины марки АДО (вторичная). Катушки обмоток соединяются между собой параллельно.

Трансформатор снабжен токоуказателем. Для получения надежного электрического контакта выводы вторичной обмотки армированы медными накладками.

Более поздняя модификация трансформатора ТСК выпускалась в комплекте со специальными конденсаторами для повышения коэффициента мощности трансформатора и cosφ.Трансформаторы типа ТС и ТСК в настоящее время не выпускаются.

Более удачным схемным и конструктивным решением являются трансформаторы с подвижными обмотками типа ТД (рис. 3.5). Это трансформаторы с плавно-ступенчатым регулированием сварочного тока. Для получения диапазона «больших токов» катушки первичной и вторичной обмоток соединены попарно параллельно (рис. 3.5, б).

Последовательное соединение катушек соответствует диапазону «малых токов» (рис. 3.5, а). При последовательном соединении часть витков первичной обмотки W₁ отключается, напряжение холостого хода U₂ повышается, что благоприятно сказывается на стабильности горения дуги на малых токах. Переключение диапазонов в переносных трансформаторах осуществляется при помощи перемычки, а в передвижных – переключателем барабанного типа. Переключение производят только при отключенном от сети трансформаторе, т.к. при невыполнении этого условия в переключателе возникнет короткое замыкание, которое выведет из строя трансформатор. Обмотки могут выполняться из медного, марки ПСД, или алюминиевого, марки АПСД, проводов (первичная); из медной (МГМ) или алюминиевой шины (АДО), «на ребро» (вторичная). Трансформатор снабжен токоуказателем и емкостным фильтром, расположенным на зажимах первичной обмотки и подключающимся между каждым зажимом и кожухом трансформатора. Фильтр состоит из двух малогабаритных конденсаторов и служит для снижения помех радиоприему, создаваемых в процессе сварки.

а) б)

Рис. 3.5. Принципиальная схема трансформатора типа ТД

В настоящее время выпускается третье поколение трансформаторов с подвижными обмотками типа ТДМ, в которых вследствие применения современных сортов электротехнической стали уменьшены масса и габариты трансформатора.

Трансформатор типа ТДМ-317 У2 является типичным примером серийной конструкции с подвижными обмотками (рис. 3.6). Он имеет стержневой магнитопровод 2, первичную 6 и вторичную 4 обмотки, переключатель диапазонов тока 12, регулятор тока 1, раму 8, колеса 7 и, не показанный на рисунке, кожух. Магнитопровод набран из холоднокатаных лакированных пластин высококремнистой трансформаторной стали марки 3414 толщиной 0,35 мм. Первичная и вторичная обмотки имеют по две катушки, расположенные попарно на стержнях магнитопровода.

Цилиндрические катушки первичной обмотки, неподвижно закрепленные у нижнего ярма, намотаны алюминиевым проводом марки АПСД со стекловолокнистой изоляцией и кремнийорганической пропиткой. Катушки вторичной обмотки, скрепленные друг с другом с помощью пластмассовой обоймы 3, намотаны «на ребро» алюминиевой шиной марки АДО, изолированы стеклолентой и пропитаны лаком. Перечисленные обмоточные и изоляционные материалы относятся к классу Н, т.е. обеспечивают работоспособность при температуре их нагрева до 160 °С.

Рис. 3.6. Конструкция трансформатора ТДМ-317 У2

Это позволило снизить массу и габариты трансформаторов серии ТДМ в сравнении с выпускавшейся ранее серией ТД. В обойму впрессована гайка, которая при вращении ходового винта обеспечивает перемещение всего пакета вторичных катушек, т.е. плавное регулирование сварочного тока. К обойме прикреплен также токоуказатель 5, перемещающийся по прорези шкалы на кожухе трансформатора. Ножевым переключателем изменяют соединение друг с другом катушек как первичной, так и вторичной обмоток, получая два диапазона регулирования тока.

На раме трансформатора имеются два штыревых разъема 9 для подключения сварочных проводов, сетевой штепсельный разъем 11 и болт заземления 10. Иногда на кожухе устанавливается пакетный выключатель сетевого напряжения.

Принципиальная электрическая схема трансформатора приведена на рис. 3.7.

Рис. 3.7. Принципиальная электрическая схема трансформатора ТДМ-317-У2

Для снижения помех радиоприему трансформатор снабжен емкостным фильтром из конденсаторов С1 и С2. На каждом стержне трансформатора размещено по одной катушке первичной и вторичной обмоток. Каждая первичная катушка состоит из двух частей W₁₁ + W_11Д и W₁₂ + W_12Д. С помощью переключателя можно выполнить последовательное или параллельное соединения катушек как первичной, так и вторичной обмотки. Переключатель НП показан в положении, обеспечивающем параллельное соединение первичных и вторичных обмоток, что соответствует диапазону больших токов. Крайние внешние характеристики (рис. 3.8, а) для этого случая обозначены ВТ. Левая линия соответствует максимально раздвинутым обмоткам, правая — предельно сближенным обмоткам. При другом положении переключателя попарно последовательно соединяются катушки первичной и вторичной обмоток, что обеспечивает диапазон малых токов, внешние характеристики для этого случая обозначены МТ. При последовательном соединении отключается часть W_11Д первичной обмотки и напряжение холостого хода повышается, что благоприятно отражается на устойчивости горения при малых токах. Естественно, кратность ступенчатого регулирования при отключении W_11Д несколько снижается – с 4 приблизительно до 2,5. Поэтому и кратность плавного регулирования, достаточная для перекрытия диапазона ступенчатого регулирования, снижается приблизительно до 2,5–3, а это позволяет уменьшить ход подвижных обмоток и габариты трансформатора: Общая кратность регулирования тока при этом около 7, что вполне достаточно по условиям сварки покрытыми электродами. На рис. 3.8, б приведена регулировочная характеристика трансформатора и соответствующая ей зависимость сопротивления трансформатора от расстояния между обмотками . Видно, что шкала регулятора получается неравномерной.

а) б)

Рис. 3.8. Характеристики трансформатора ТДМ-317-У2: а – внешние; б – регулировочные; БТ и МТ – характеристики для режимов больших и малых токов соответственно; – зависимость индуктивного сопротивления Х_ТР от расстояния l_к между катушками обмоток; – регулировочные характеристики

Для повышения коэффициента мощности, cosφ трансформаторы типа ТДМ могут укомплектовываться конденсаторной батареей – ТДМ-503-2.

Выпускаются модификации трансформаторов для работы в особо опасных условиях. Они снабжены устройством для снижения напряжения холостого хода (ТДМ-317-1, ТДМ-318-1, ТДМ-401-1, ТДМ-402-1, ТДМ-503-1 и ТДМ-503-3). Такое устройство должно автоматически снижать напряжение холостого хода источника для ручной дуговой сварки до значения не более 12 В не позднее, чем через 1 с после размыкания сварочной цепи. Зажигание дуги при использовании такого устройства несколько затруднено. Действительно, после замыкания электродом на изделие потребуется некоторое время для восстановления напряжения источника. Зажигание дуги протекает удовлетворительно, если время срабатывания устройства не превышает 0,06 с, а чувствительность, т.е. величина сопротивления в контакте «электрод-деталь», при которой устройство надежно срабатывает, не ниже 300 Ом. В то же время устройство не должно срабатывать при сопротивлении более 500 Ом, т.к. сопротивление тела сварщика может снижаться до такой величины. На рис. 3.9 приведена упрощенная схема блока снижения напряжения холостого хода сварочных трансформаторов БСНТ-08-1 У2.

Рис. 3.9. Упрощенная схема блока БСНТ-08-1 У2

На схеме также показан сварочный трансформатор Т с автоматическим выключателем QF. В составе блока имеются силовой контактор КМ, трансформатор тока T1, трансформатор питания Т2 с плавкими предохранителями F1 и F2, вспомогательное реле К, сигнальные лампы HL1 и HL2, кнопки контроля S1 и S2, а также система управления А. Основными элементами системы управления являются измеритель сопротивления сварочной цепи А.1, основной А.2 и резервный А.3 таймеры, триггер управления А.4 и симистор VS, с помощью которого и запускается силовой контактор КМ. Блок питается сетевым напряжением через разъем Х3, что контролируется лампой HL1 «Сеть». Электрододержатель подключается сварочным кабелем к разъему X1 блока, а вторичная обмотка сварочного трансформатора – к разъему X2. Система управления через контакт КМ.4 соединена с корпусом блока, так что без заземления корпуса и свариваемого изделия блок работать не будет, благодаря чему обеспечивается дополнительная защита сварщика.

В режиме холостого хода контактор КМ не работает, поэтому цепь дуги разорвана силовым контактом КМ.2. При этом на межэлектродный промежуток от системы управления через вспомогательные контакты КМ.3 и КМ.4 подается безопасное напряжение 12 В. Зажигание дуги начинается коротким замыканием электрода на изделие. При уменьшении сопротивления межэлектродного промежутка ниже 300 Ом измеритель сопротивления сварочной цепи А.1 дает команду триггеру А.4, а тот с помощью симистора VS подает напряжение трансформатора Т2 на обмотку КМ контактора. При этом замыкается силовой контакт КМ.2 и на дугу подается напряжение сварочного трансформатора Т. Далее система управления удерживается во включенном состоянии благодаря работе трансформатора тока Т1, который подает сигнал на триггер управления при горящей дуге. Таким образом, предотвращаются случайные срабатывания блока, не поддержанные включением сварочного тока. О включении сварочного трансформатора сигнализирует лампа HL2 «напряжение больше 12 В», включающаяся в результате замыкания контакта КМ.5.

При обрыве дуги трансформатор тока Т1 прекращает работу, и в действие вступают таймеры А.2 и А.3. В течение 1 с после сварки до поступления команды от основного таймера А.2 контактор удерживается во включенном состоянии. При этом на межэлектродном промежутке присутствует сравнительно высокое напряжение холостого хода сварочного трансформатора, что необходимо для легкого повторного зажигания дуги, если обрыв был случайным. По истечении 1 с таймер А.2 переключает триггер А.4, поэтому контактор КМ отключается и в сварочной цепи устанавливается безопасное напряжение 12 В. На случай неисправности основного таймера предусмотрен резервный А.3, при срабатывании которого включается вспомогательное реле К. Его контакт К.3 разрывает цепь катушки КМ силового контактора, а контакт К.2 обеспечивает блокировку контакта КМ.6 с целью самопитания реле К. Для разблокировки устройства достаточно нажать кнопку S2 «Готов». Проверка исправности блока выполняется перед сваркой с помощью кнопки S1 «Контроль». При ее кратковременном нажатии имитируется зажигание дуги, в этом случае силовой контактор мгновенно включится, а через 1 с отключится, что можно проконтролировать с помощью лампы HL2. При длительном нажатии кнопки S1 контактор должен отключиться резервным таймером с помощью реле К, в чем можно убедиться, если нажать кнопку S2 «Готов».

Более совершенную конструкцию имеет блок БСНТ-10. Его можно использовать для комплектования не только трансформаторов, но и выпрямителей. В нем также предусмотрено снижение напряжения при выходе из строя элементов самого блока и при неправильном подключении источника.

Ранее в массовом порядке выпускалось устройство УСНТ-06 подобного же принципа действия. Распространены также устройства, в которых вместо силового контактора используются полупроводниковые коммутаторы, подобно тому, как это выполнено в тиристорных трансформаторах. Эти устройства имеют более высокое быстродействие и меньшие габариты, однако не гарантируют безопасности при пробое тиристоров.

Трансформатор ТДМ-503-3 комплектуется УСНТ и конденсаторной батареей. Одна из модификаций трансформаторов ТДМ-503-4 поставляется в комплекте с возбудителем-стабилизатором горения дуги марки ВСД-01. Импульсная стабилизация дуги переменного тока позволяет существенно повысить устойчивость горения дуги, использовать для сварки электроды как переменного, так и постоянного тока.

Переносные трансформаторы ТДМ-165 и ТДМ-254 предназначены для использования на монтаже и поэтому предельно облегчены. Это достигается использованием витого ленточного магнитопровода и алюминиевых обмоток с повышенной плотностью тока, что стало возможно благодаря снижению ПН до 20-25 %. Переносными являются и трансформаторы ТДМ-167 и ТДМ-1612.

Сварочные свойства серийных трансформаторов сравнительно высокие. При сварке электродами марки ЦЛ-11 диаметром 4 мм с питанием от трансформатора ТДМ-317 получены следующие результаты. Вероятность зажигания дуги с первой попытки составляет от 60 до 80 %, частота обрывов дуги — 1–2 на один электрод, коэффициент разбрызгивания – 5–7 %, разрывная длина дуги – 20–25 мм. Последняя характеристика хуже, чем у источников постоянного тока, но для трансформаторов считается вполне удовлетворительной. Для сравнения: у трансформатора с дросселем разрывная длина дуги составляет всего 10–15 мм.

В целом сварочные свойства сварочных трансформаторов с подвижными обмотками выше, чем у трансформаторов с дросселем. Например, при сварке электродами марки МР-3 диаметром 4 мм на токе 160 А минимальная скорость нарастания тока перед зажиганием дуги составляет 58 кА/с. Это в 2–3 раза выше, чем у трансформатора с дросселем. Поэтому и время повторного зажигания дуги у трансформатора ТДМ-317 составляет 0,2–0,4 мс, тогда как у трансформатора с дросселем достигает 1–2 мс.

Достоинства и недостатки трансформаторов связаны с особенностями их конструкции и электрических характеристик. Недостатком трансформаторов с подвижными обмотками является сильная вибрация подвижных частей — обоймы с обмотками и винтового привода, что ограничивает срок их службы. Кроме того, при механическом регулировании трудно обеспечить дистанционное и программное управление режимом сварки, невозможна стабилизация тока и напряжения. Однако, несмотря на перечисленные недостатки, эти трансформаторы получили самое широкое распространение в нашей стране как основной источник питания для ручной дуговой сварки из-за малого расхода активных материалов, неплохих сварочных свойств и технико-экономических показателей, простоты и дешевизны.

Технические характеристики некоторых трансформаторов с подвижными обмотками приведены в табл. 9, а внешний вид некоторых из них – на рис. 3.10.

Таблица 9

Основные параметры трансформаторов с подвижными обмотками

Марка трансформатора	Номинальный сварочный ток, А	Первичное напряжение, В	Продолжительность нагрузки (ПН или ПВ), %	Номинальная первичная мощность, кВ·А	Напряжение холостого хода, В	Номинальное рабочее напряжение, В	Пределы регулировки тока, А	Габаритные размеры lbh, мм	Масса , кг	Изготовитель
ТД-300-У2	315	220,380	60	20,5	<80	32	0..365	620692710	140	–
ТД-500-У2	500	220,380	60	32	<80	40	100..560	570720835	210	–
ТД-502-У3	500	220,380	60	26,5	<80	40	100..560	780720835	240	–
ТД-102-У2	160	220,380	20	11,4	<80	26,4	55..175	290465535	38	–
ТД-306-У2	250	220,380	30	19,4	<80	30	90..300	370630585	71	–
ТДМ-165-У2	160	220,380	20	11	62	26	55..170	450290510	38	13
Т ДМ-167	160	220	20	8,1	55	26	50..160	240280420	29	3
ТДМ-1612	160	220	20	8,8	60	26	55-160	240310420	32	14
ТДМ-254-У2	250	220,380	25	17	65	30	85-250	450290510	50	13
ТДМ-317-У2 ТДМ-317-1У2	315	220,380	60	21	80	33	60-370	585555820	130	13
ТДМ-401-У2 ТДМ-401-1У2	400	220,380	60	26,6	76-79	36	70-460	555585850	140	26
ТДМ-402-У2 ТДМ-402-1У2	400	220,380	60	17,3	64-80	36	65-460	555585848	170	26
ТДМ-503-У2 ТДМ-503-1У2 ТДМ-503-2У2 ТДМ-503-3У2 ТДМ-503-4У2	500	220,380	60	34	80	40	90-560	600555892	175	25
ТДМ-504	500	380	40	–	63, 74	40	90-500	520590810	150	17

ТДМ-140 ТДМ-169 ТДМ-180 ТДМ-200

ТДМ-250 ТДМ-259 ТДМ-300

ТДМ-315 ТДМ-504

Рис. 3.10. Внешний вид трансформаторов серии ТДМ

69