Трансформаторы с подвижными магнитными шунтами

Одной из разновидностей трансформаторов с увеличенным магнитным рассеянием являются трансформаторы с подвижными магнитными шунтами серий СТАН, СТШ, ОСТА, ТДМ. Увеличение потоков магнитного рассеяния достигается при помощи подвижных магнитных шунтов, помещенных в окне магнитопровода трансформатора.

Принцип действия такого трансформатора рассмотрим по рис. 3.11. Он имеет неподвижные первичную 1 и вторичную 2 обмотки, стержневой магнитопровод 3 и подвижный магнитный шунт 4. Каждая обмотка имеет по две катушки, размещенные на разных стержнях. Потоки рассеяния Ф_1р и Ф_2р замыкаются через магнитный шунт. Падающая характеристика у трансформатора с магнитным шунтом получается благодаря увеличенному рассеянию, вызванному размещением первичной и вторичной обмоток на значительном расстоянии друг от друга и наличием магнитного шунта.

Рис. 3.11. Конструктивная схема трансформатора с подвижным магнитным шунтом

Магнитный шунт состоит из двух половинок, сближающихся и удаляющихся друг от друга при работе винтового привода 5. При увеличении расстояния l_ш между половинками шунта снижается площадь S_ш, по которой замыкаются потоки рассеяния. В результате уменьшаются потоки рассеяния и индуктивное сопротивление, что приводит к увеличению тока. Использование шунта из двух частей ускоряет настройку режима и снижает вибрацию подвижных частей, поскольку электродинамические силы, воздействующие на половинки шунта с частотой 100 Гц, уравновешиваются друг другом. Известны конструкции с цельным магнитным шунтом, выдвигаемым по одну сторону трансформатора или поворачиваемым внутри его окна. Индуктивное сопротивление трансформатора с магнитным шунтом при параллельном соединении катушек

. (3.5)

Первая составляющая уравнения соответствует минимальному сопротивлению трансформатора при полностью выдвинутом шунте (S_Ш = 0). Оно может быть определено по той же формуле (3.4), что и для трансформатора с подвижными обмотками, но завышено приблизительно на 25 %, поскольку даже по выдвинутому шунту замыкается небольшой поток рассеяния. Вторая составляющая учитывает зависимость индуктивного сопротивления от магнитного сопротивления на пути потоков рассеяния через шунт. Магнитное сопротивление зависит от величины воздушного зазора δ и площади перекрытия S_Ш магнитопровода шунтом:

. (3.6)

Ступенчатое регулирование может выполняться переключением катушек первичной и вторичной обмоток на последовательное и параллельное соединение. Применяются также трансформаторы, у которых часть вторичной обмотки размещена вблизи от первичной. В этом случае ступенчатое регулирование выполняется изменением степени разнесения вторичной обмотки, благодаря чему удается снизить массу магнитопровода у трансформатора с широким диапазоном регулирования.

В трансформаторах типа СТАН (рис. 3.12) в окне магнитопровода размещен шунт, который при помощи ходового винта перемещается перпендикулярно плоскости окна магнитопровода.

Рис. 3.12. Принципиальная схема трансформатора типа СТАН

При входе шунта в окно магнитопровода он как бы заполняет окно, в результате чего магнитные потоки рассеяния обмоток трансформатора увеличиваются. При этом ЭДС вторичной обмотки уменьшается, следовательно, уменьшается сварочный ток. При выходе шунта из окна магнитопровода магнитные потоки рассеяния уменьшаются, а сварочный ток увеличивается. В трансформаторах стержневого типа первичная W₁ и вторичная W₂ обмотки выполнены из двух катушек, соединенных между собой параллельно. Первичная обмотка намотана алюминиевым проводом марки АСПД, а вторичная – голой алюминиевой шиной марки АДО «на ребро». Трансформаторы СТАН промышленность уже не выпускает, но они еще находятся в эксплуатации.

Трансформаторы типа СТШ по принципу действия и схеме аналогичны трансформаторам типа СТАН, но имеют конструктивные отличия. В трансформаторах типа СТШ в окно магнитопровода помещены два шунта, которые, при помощи ходового винта перемещаются в разные стороны перпендикулярно плоскости окна магнитопровода. Сварочный ток регулируется изменением расстояния между шунтами – при увеличении расстояния ток увеличивается и наоборот. Трансформатор имеет механический токоуказатель, связанный с одним из шунтов. Трансформаторы СТАН и СТШ имеют одну ступень регулирования сварочного тока, регулирование в пределах ступени плавное.

Трансформатор типа ОСТА предназначен для питания дуги при ручной дуговой сварке, резке или наплавке однофазным переменным током. Трансформатор обеспечивает: преобразование сетевого напряжения (220 или 380 В) в напряжение, необходимое для питания дуги; требуемую падающую характеристику; плавное регулирование сварочного тока. Электромагнитная схема и схема расположения обмоток трансформатора показаны на рис. 3.13.

Рис. 3.13. Электромагнитная схема (а) и схема расположения обмоток (б) трансформатора: 1 – первичная обмотка; 2 – вторичная обмотка; 3 – реактивная обмотка; 4 – магнитный шунт; 5 – магнитопровод

У трансформатора ОСТА-350 первичная обмотка W₁ и вторичная обмотка W₂ расположены на одном крайнем стержне А, а реактивная обмотка на другом крайнем стержне Б магнитопровода. Вторичная и реактивная обмотки сделаны секционированными. Такая конструкция трансформатора обуславливает сильную магнитную связь первичной обмотки с секциями и вторичной обмотки и относительно слабую – с секциями и реактивной обмотки. Магнитопровод трансформатора выполнен сплошным, без воздушных зазоров. Между крайними стержнями находится подвижный сердечник – магнитный шунт. Магнитные потоки, создаваемые первичной, вторичной и реактивной обмотками, замыкаются через шунт, образуя магнитные потоки рассеяния. Эти потоки рассеяния увеличивают индуктивное сопротивление, вследствие чего внешняя характеристика трансформатора будет падающей. Индуктивность рассеяния, а значит и величина сварочного тока, определяется числом витков реактивной обмотки.

При холостом ходе трансформатора рассеяние практически отсутствует, поэтому при согласном последовательном включении секций напряжение холостого хода определяется общим числом витков реактивной обмотки.

Режимы сварки регулируют ступенчато за счет секционирования вторичной и реактивной обмоток и плавно в пределах каждой ступени при помощи подвижного шунта. Трансформатор имеет 2 ступени регулирования. На первой ступени (перемычкой замкнуты клеммы 1–2) включены секция (пять витков) и вся реактивная обмотка , (по 12 витков), что обуславливает относительно большое индуктивное сопротивление и повышенное напряжение холостого хода (70-72 В). Это облегчает возбуждение и горение дуги на малых токах. При замкнутых клеммах 1–3 (2 ступень) включены обе секции и (по 5 витков) вторичной обмотки и половина реактивной обмотки – (12 витков). При таком числе витков напряжение холостого хода составляет 52–55 В, что достаточно для устойчивого горения дуги на относительно больших токах. Плавное регулирование режима в пределах каждой ступени производится с помощью магнитного шунта, перемещаемого в окне трансформатора по установленным там направляющим. Перемещение шунта производится вращением ходового винта, снабженного рукояткой. Вращение винта по часовой стрелке соответствует введению магнитного шунта в окно магнитопровода трансформатора, индуктивность рассеяния при этом возрастает, а сварочный ток снижается. Токоуказателя трансформатор ОСТА-350 не имеет. Обмотки трансформатора выполнены алюминиевым проводом, выводные концы с целью предохранения от окисления армированы медными накладками. Для снижения помех радиоприема, распространяющихся по проводам питающей сети, к клеммам трансформатора подключен емкостной фильтр С₁–С₂.

Трансформаторы ТДМ-201, СТШ-250, ТДМ-259, ТДМ-2510 не имеют ступенчатого регулирования, здесь кратность регулирования от 2,5 до 4. Трансформаторы ТДМ-168, ТДМ-300 и ТДМ-411 имеют две ступени грубого регулирования, при переходе к ступени малых токов одновременно повышается напряжение холостого хода, что повышает надежность зажигания и устойчивость горения дуги. Трансформаторы ТДМ-121 и ТДМ-180 изготавливают по лицензии шведской фирмы ESAB, они соответствуют международному стандарту ISO 700. Эти трансформаторы имеют броневой магнитопровод и по одной катушке первичной и вторичной обмоток. Шунт здесь состоит из двух клиновидных пакетов. Поэтому при перемещении шунта меняется не только площадь S_ш, но и зазор δ, что обеспечивает более равномерное регулирование. Трансформаторы бытового назначения ТДМ-169 и ТДМ-257 имеют предельно простую и надежную конструкцию, у них магнитный шунт не имеет привода и переставляется вручную, а обмотки залиты эпоксидным компаундом, что обеспечивает их высокую электрическую и механическую прочность. К классу бытовых могут быть отнесены и ранее перечисленные трансформаторы ТДМ-121 и ТДМ-168, они питаются напряжением 220 В, имеют низкую ПН = 20 % и массу не более 30 кг.

Трансформаторы с магнитным шунтом практически не уступают трансформаторам с подвижными обмотками ни по сварочным свойствам, ни по массо-габаритным характеристикам, ни по технико-экономическим показателям. Однако их широкое использование началось только в последнее время.

Технические характеристики некоторых трансформаторов этой группы даны в табл. 10.

Таблица 10

Основные параметры трансформаторов с подвижными магнитными шунтами

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	Изгото-витель
СТАН-0	120		65	7,5	80	30			85	–
СТАН-1	350		65	20	70	30			185	–
ОСТА-350	350		60	19	72	30			185	–
ТДМ-121-У2	125	220	20	7,5	49	25	40-140	270185430	25	27
ТДМ-168	160	220	20	5,3	55, 73	26	45-190	205365450	31	17
Т ДМ-169	160	220	20	–	–	26,4	60-160	330210325	26	20
ТДМ-180-У2	180	380	20	10,5	65	26	38-180	330360930	55	27
ТДМ-201	200	220,380	20	6,5	60-65	–	50-200	300300450	45	26
СТШ-250	250	220,380	20	16,3	65	30	70-260	420270425	49	16
ТДМ-251	250	–	20	20	61	–	80-250	500500450	75	11
ТДМ-257	250	220,380	20	17,3	65	30	90-250	290190390	47	17
ТДМ-258	250	–	35	–	65	–	100-250	410385500	60	8
ТДМ-259	250	380	20	–	63	30	60-275	540245450	40	20
ТДМ-2510	250	220,380	20	–	65	30	100-250	480420650	65	2
ТДМ-300	300	380	60	18	50,70	32	70-325	375390530	67	17
ТДМ-411	400	380	10	–	50, 80	36	50-420	330380950	80	27
СТШ-500	500	380	60	–	60	30	145-650	670666753	220	11

Кроме описанных выше, разработан ряд других конструктивных схем сварочных трансформаторов с увеличенным магнитным рассеянием, которые не получили широкого распространения, по крайней мере, в промышленных вариантах. Особенности их конструкций и основные технологические возможности кратко рассмотрим ниже.

Трансформаторы с разнесенными обмотками. Разнесение первичной и вторичной обмоток на разные стержни уже позволяет получить падающие внешние характеристики. Однако регулировать ток в таком простейшем трансформаторе можно только изменением коэффициента трансформации. К сожалению, при этом одновременно меняется и напряжение холостого хода. Поэтому подобное регулирование тока в серийных конструкциях трансформаторов, как правило, не применяется, хотя, к примеру, Санкт-Петербургской фирмой «ЭТА» выпускается нерегулируемый трансформатор ТС-50 (см. табл. 11).

Заметный эффект достигается при совмещении виткового регулирования с изменением степени разнесения обмоток по стержням (рис. 3.14, а). Это позволяет получить две ступени токов. Как вариант такой схемы регулирования изготовляется трансформатор ТСБ-145 на три ступени регулирования. Подобную же схему имеет и трансформатор ТДС-140.

а)

б)

Рис. 3.14. Схема трансформатора с разнесенными обмотками

У

75

такого трансформатора витки w₂₁ и w₂₂+w₂₃ вторичной обмотки разнесены на разные стержни, тогда как первичная обмотка w₁ расположена только на левом стержне. Очевидно, что магнитная связь первичной обмотки w₁ с левой катушкой w₂₁ вторичной обмотки w₂, для которой k_тр ≈ 1, значительно лучше, чем с ее правой катушкой w₂₂+w₂₃, у которой k_тр << 1. Переключателем можно изменять степень разнесения работающих частей вторичной обмотки по стержням. При одном положении переключателя в работе участвует вся левая катушка с числом витков w₂₁ и только часть правой катушки. При другом положении переключателя работает только правая катушка с числом витков w₂₂+w₂₃. При этом потоки рассеяния трансформатора увеличиваются, что приводит к увеличению его индуктивного сопротивления, увеличению крутизны падения внешней характеристики и, как следствие, к снижению тока. Причем при таком регулировании тока напряжение холостого хода почти не изменяется, т.к. число витков вторичной обмотки, участвующих в работе, остается постоянным.

Трансформатор с реактивной обмоткой. Использование дополнительной реактивной обмотки, которая устанавливается на пути потоков рассеяния, также позволяет ступенчато регулировать ток (см. рис. 3.14, б). Такую схему используют в дешевых трансформаторах с низкой ПН и узким диапазоном регулирования, например для сварки при монтаже или в быту (бытовые трансформаторы ТСБ-101 и ТСБ-103, а также монтажный трансформатор ТСМ-250 (см. табл. 11).

Такой простейший трансформатор (рис. 3.15) имеет стержневой магнитопровод, первичную w₁ и вторичную w₂ обмотки, разнесенные на разные стержни. Поэтому такой трансформатор имеет увеличенное магнитное рассеяние и, следовательно, падающую внешнюю характеристику. Отличие конструкции магнитной системы данного трансформатора от показанного на рис. 3.14, б заключается только в том, что реактивная обмотка w_p расположена не в окне магнитопровода, а охватывает первичную w₁ и вторичную w₂ обмотки снаружи.

Рис. 3.15. Схема трансформатора с реактивной обмоткой

Индуктивное сопротивление трансформатора с реактивной обмоткой зависит от числа витков w_р реактивной обмотки и варианта ее включения. Поэтому регулирование режима осуществляется разным соединением вторичной w₂ и реактивной w_p обмоток, которое производится переключателем П.

В режиме холостого хода потоки рассеяния невелики, и реактивная обмотка w_р практически не влияет на напряжение холостого хода ( ). В режиме нагрузки потоки рассеяния наводят в реактивной обмотке дополнительную ЭДС.

В зависимости от положения переключателя П можно установить три ступени регулирования:

– положение I – ступень большого тока, обусловленного согласным соединением вторичной w₂ и реактивной w_р обмоток;

– положение II – ступень малого тока, обусловленная встречным соединением обмоток w₂ и w_р;

– положение III – ступень среднего тока при отключенной обмотке w_р.

По такой схеме (см. рис. 3.15) изготовляется также монтажный трансформатор ТСМ-250. Кроме трех ступеней регулирования, он позволяет осуществлять еще и плавное регулирование тока, которое производится навивкой до четырех витков сварочного кабеля вокруг кожуха трансформатора в ту или иную сторону.

Трансформатор с индуктивностью и емкостью. Наличие в цепи дуги переменного тока промышленной частоты не только индуктивности, но и емкости позволяет за счет энергии, накапливаемой в магнитном поле индуктивности и в электрическом поле емкости, создать условия для более легкого повторного возбуждения дуги, снизив тем самым напряжение холостого хода трансформатора. Практически это означает, что в случае использования достаточной емкости напряжение холостого хода можно снизить до U₀ ≈ 35...40 В без опасности снижения устойчивости горения дуги. Снижение U₀ позволяет уменьшить коэффициент трансформации k_тр = w₂ / w₁ и пропорционально уменьшить первичный ток I₁, так как I₁= k_трI₂, где I₂ – вторичный ток. На этой основе удается разработать сварочный трансформатор на вторичный ток I₂ до 100 А, питающийся от осветительной сети с U₁ = 220 В и первичным током I₁ ≤ 15 А.

Например, серийно выпускается бытовой трансформатор ТСБ-90-1 с питанием от осветительной сети (см. табл. 11). Его обмотки разнесены на разные стержни, регулирование режима выполняется секционированием первичной обмотки w₁ (рис. 3.16). Конденсаторная батарея С емкостью 100 мкФ установлена последовательно с первичной обмоткой w₁. Ее полезное влияние на повторное зажигание дуги сохраняется и в этом случае. Сварочный ток снимается с зажимов 1.

Рис. 3.16. Схема трансформатора с емкостью С в первичной цепи

В составе трансформатора имеется выпрямительный блок V, который позволяет заряжать аккумуляторные батареи, подключая их к зажимам 2.

Трансформаторы с импульсным стабилизатором. Импульсный стабилизатор горения дуги (ИСГД), который представляет собой генератор пиковых импульсов высокого напряжения, подаваемых на дугу в момент перехода тока через нуль, обеспечивает надежное повторное зажигание дуги и гарантирует высокую устойчивость горения дуги переменного тока. Автономные ИСГД могут использоваться в комплекте с любым трансформатором для ручной сварки с напряжением холостого хода не ниже 60 В. Вместе с тем иногда более эффективно встраивать ИСГД в корпус источника. Со встроенными ИСГД выпускаются трансформаторы «Разряд-160», «Разряд-250» и ТДК-315 (см. табл. 11).

Конструктивно эти трансформаторы подобны описанному выше трансформатору с реактивной обмоткой. Их реактивная обмотка состоит из трех секций и соединяется с первичной обмоткой. Переключатель диапазонов, обеспечивающий сначала согласное, а затем встречное соединение реактивной обмотки с первичной, позволяет увеличивать ток семью ступенями. Использование ИСГД снижает напряжения холостого хода трансформаторов до 45 В, что в свою очередь значительно уменьшает первичный ток и массу трансформаторов. В отличие от автономных, встроенный ИСГД запускается с помощью двойного управления – не только за счет обратной связи по напряжению, но еще и по току. Это повышает надежность его работы.

Со встроенным ИСГД выпускаются также трансформаторы ТДМ-402, регулируемые подвижными обмотками, и ТДМ-201, регулируемые магнитным шунтом.

Технические характеристики трансформаторов этой группы даны в табл. 11.