Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Источники питания сварочной дуги. Учебное пособие
.pdf
41
равно
.kUU
1
2
1x2
).1;(
12
T
k
2
U2X
1
I1X
U1
Ф
О
- ФР
Ф
Р
E
1
Ф
О
E
2
Рис. 2.3. Работа трансформатора при холостом ходе
Из (2.12) следует, что напряжение холостого хода во вторичной обмотке
(2.13)
Для понижения первичного напряжения во вторичной обмотке до величины, необходимой для сварки, число витков вторичной обмотки в kТ раз
меньше, чем в первичной
Режим нагрузки возникает после замыкания цепи вторичной обмотки, в
которой появляется ток I2 = Iд , и вся вторичная ЭДС Е2 расходуется на нагрузке (дуге):
Е
= Uд . (2.14)
2
Таким образом, в трансформаторе электрическая энергия сети посредством магнитопровода передается из первичной обмотки во вторичную, не
имеющую непосредственной электрической связи с сетью.
При этом Р1 =
тР2
или U
1
I1=
тU2I2
, (2.15)
где Р1 и Р2 - электрическая мощность, потребляемая трансформатором из
сети, и мощность, расходуемая на нагрузку;
– КПД трансформатора (
т
0,95-0,98).
т
42
Потоки рассеяния наводят в обмотках трансформатора ток самоиндукции
po
o
м
ФФ
Ф
f
k
f
2
2
Tд
T
дX2
XIRUU
U
2Х
I
дХТ
Uд = IдRд
IдR
Т
в противофазе и в противоположном направлении с индуцирующим током. Это
обусловливает индуктивное сопротивление в цепях с переменным током. Иными словами, в обмотках трансформатора ток преодолевает активное электрическое сопротивление проводов Rт и индуктивное сопротивление обмоток Хт.
Общее индуктивное сопротивление трансформатора складывается из индуктивных сопротивлений первичной и вторичной обмоток:
Хт = Х1 + Х2 .
В связи с большой разницей в величинах тока в первичной и вторичной
цепях (ток в сварочной цепи I2 в 5-10 раз больше тока первичной обмотки)
можно считать, что индуктивное сопротивление трансформатора определяется
в основном величиной индуктивного сопротивления вторичной цепи, т.е. Х
Х
. Тогда
2
Х
т
. (2.16)
т
Отсюда следует, что индуктивное сопротивление трансформатора при
прочих равных условиях возрастает с увеличением потоков рассеяния ФР.
Напряжение холостого хода во вторичной обмотке в режиме нагрузки
расходуется на активном сопротивлении проводов Rт и сварочной дуги Rд, а
также на индуктивном сопротивлении трансформатора. Согласно векторной
диаграмме (рис. 2.4) напряжение холостого хода во вторичной обмотке равно
(2.17)
Рис. 2.4. Векторная диаграмма трансформатора в режиме нагрузки
Если пренебречь малым активным сопротивлением трансформатора
(Rт 0), уравнение трансформатора в режиме нагрузки будет
43
Tд
дX2
XIUU
. (2.18)
Tд
X2ди
XIUUU
)XI(
UU
Tд
2
2
д
2
X2
2
Tд
2
X2
ди
)XI(
U
UU
кзкзддд
I(.II,0U,0l
,XIU
TкзX2
T
X2
кз
X
U
I
Отсюда
. (2.18а)
В скалярной форме в соответствии с теоремой Пифагора из треугольника
векторной диаграммы (рис. 2.4) получим
(2.19)
или
(2.19а)
Уравнения (2.18) и (2.19) являются основными уравнениями, описываю-
щими работу сварочного трансформатора.
Режим короткого замыкания возникает, когда электрод (при первичном
зажигании дуги) или капля жидкого металла на конце электрода касаются свариваемой детали. При этом
– ток короткого замы-
кания).
В соответствии с (2.18) или (2.19) напряжение холостого хода при коротком
замыкании расходуется на индуктивное сопротивление трансформатора
откуда
. (2.20)
2.4. ТИПЫ СВАРОЧНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Электромагнитная схема трансформатора характеризует конструкцию
сердечника, взаимное расположение его обмоток и схему их включения. Эта
схема определяет магнитную и электрическую связь и характер взаимодействия
между обмотками.
В зависимости от величины коэффициента магнитной связи kм, которая
согласно формуле (2.16) зависит от величины потоков магнитного рассеяния
различают два типа трансформаторов:
- трансформаторы с нормальным (малым) магнитным рассеянием;
- трансформаторы с искусственно увеличенным магнитным рассеянием.
В трансформаторах первого типа зазоры между первичной и вторичной
обмотками минимальны, потери на рассеяние незначительны (ФР 0). Поэтому
в трансформаторах первого типа kм 1, а в трансформаторах с увеличенным
магнитным рассеянием kм < 1.
2.4.1. Сварочные трансформаторы
с нормальным магнитным рассеянием
В трансформаторах этого типа потоки рассеяния малы, а индуктивное сопротивление трансформатора определяется только числом витков в его обмотках, см. формулу (2.16). Поэтому напряжение на вторичной обмотке таких
трансформаторов мало зависит от нагрузки (потери вторичного напряжения
44
при номинальном токе не превышают 5 % от напряжения холостого хода U2Х).
constUUU
1
2
1X22
)XR(I)XR(IUU
дрдрдTTд
дX2
0R,0X,0R
дрTT
2
дрд
2
д
X2
)ХI(
U
U
2
дрд
2
X2
ди
)ХI(
U
UU
дрддр
ХIU
др
2
др
др
R
f2
X
Трансформаторы с нормальным магнитным рассеянием имеют жесткую вольтамперную характеристику. Это следует из (2.13), при k 1
. (2.21)
Для получения падающей характеристики в дуговом промежутке в сварочную цепь последовательно с дугой включают реактивную катушку (дроссель), которая создает индуктивное сопротивление Хдр. Тогда в соответствии с
(2.19) уравнение источника с дросселем будет иметь вид
(2.22)
или, если пренебречь малыми значениями сопротивления трансформатора (
), формула (2.22) в скалярной форме примет вид
. (2.23)
Отсюда следует, что напряжение на клеммах источника (Uи) и на дуге
(Uд) зависит от напряжения холостого хода (U2X) и падения напряжения на ин-
дуктивном сопротивлении дросселя (I
Х
)
д
др
. (2.24)
Таким образом, падающая характеристика при использовании трансформаторов с нормальным магнитным рассеянием создается за счет падения
напряжения на индуктивной (реактивной) катушке:
. (2.25)
Индуктивное сопротивление реактивной катушки (Хдр) является результатом возникновения в ней электродвижущей силы самоиндукции при протекании переменного тока:
. (2.26)
Отсюда следует, что величина индуктивного сопротивления реактивной
катушки пропорциональна частоте тока (f), числу витков в катушке (
др
) и об-
ратно пропорциональна магнитному сопротивлению сердечника дросселя
(R
).
др
Дросселем называется устройство, обеспечивающее падающую вольт-
амперную характеристику сварочного трансформатора с нормальным магнитным рассеянием и регулирование величины сварочного тока (Iд). Реактивная
катушка дросселя включается в сварочную цепь последовательно с вторичной
обмоткой трансформатора и сварочной дугой.
По способу регулирования величины индуктивного сопротивления (Хдр)
дроссели подразделяются на дроссели с механическим и электрическим регули-
рованием.
В дросселях с механическим регулированием плавное регулирование сва-
рочного тока осуществляется изменением индуктивного сопротивления за счет
45
изменения воздушного зазора в магнитопроводе (рис. 2.5). Для расширения
др
R
SkR
др
I IS
I
П
а)
б)
II
I
III
П
S
Ф
др
диапазона регулирования сварочного тока применяют также ступенчатое регулирование за счет изменения числа витков в первичной или вторичной обмотках трансформатора.
Реактивная катушка дросселя может располагаться на отдельном (рис.
2.5, а) или на общем (рис. 2.5, б) с обмотками трансформатора магнитопроводе.
Рис. 2.5. Трансформаторы с механическим регулированием:
а) двухкорпусное и б) однокорпусное исполнение;
I, II и III – первичная, вторичная и реактивная обмотки;
П – подвижный пакет сердечника дросселя; S – зазор в сердечнике
От величины воздушного зазора «S» в сердечнике дросселя (рис. 2.5) зависит магнитное сопротивление сердечника дросселя
моиндукции Ф
. Чем больше этот зазор, тем больше магнитное сопротивле-
др
на пути потока са-
ние, тем меньше индуктивное сопротивление дросселя согласно формуле (2.26).
Приближенно можно считать, что магнитное сопротивление реактивной
катушки прямо пропорционально воздушному зазору «S» в сердечнике дросселя (рис. 2.6):
. (2.27)
При минимальном зазоре (S
0) магнитное сопротивление сердечника
на пути потока самоиндукции Фдр будет минимальным, а индуктивное сопротивление дросселя (Хдр) согласно (2.26) – максимальным.
46
R
I
kФФ
др2
65
R
др
; Х
др
R
др
Х
др
S
Рис. 2.6. Зависимость магнитного (R
) и индуктивного (Хдр)
др
сопротивления дросселя от величины воздушного зазора (S) в сердечнике
При электрическом регулировании индуктивного сопротивления применяют дроссель насыщения (рис. 2.7). Он имеет магнитопровод броневого типа
(2), обмотку управления (3), питающуюся от вспомогательного источника постоянного тока (4) и размещенную на центральном сердечнике. Для изменения
величины управляющего тока (Iу) в цепь обмотки управления включен реостат
(R). На крайних плечах магнитопровода размещены две последовательно со-
единенные рабочие обмотки (5,6), включенные в сварочную цепь последовательно с дугой. Принцип работы дросселя насыщения основан на взаимодействии
магнитных потоков обмотки управления и рабочих обмоток.
При сварке сварочный ток I2, протекая по рабочим обмоткам дросселя (5)
и (6), создает два переменных магнитных потока Ф5 и Ф6, величина которых
пропорциональна сварочному току, числу витков в обмотках и обратно пропорциональна магнитному сопротивлению сердечника R:
. (2.28)
Магнитное сопротивление сердечника регулируется с помощью изменения величины тока Iу в обмотке управления. Если управляющая обмотка выключена (Iу = 0), магнитное сопротивление сердечника минимально, а потоки
самоиндукции Ф5 и Ф6 максимальны и индуктивное сопротивление дросселя
также максимально, так как
47
R
f2
др
2
др
X
.
R
I
Ф
уу
у
4
Ф
5
Ф
у
Ф
6
5
3 6 1
R
Iу
U1
2
I2
Рис. 2.7. Сварочный трансформатор: 1 – с нормальным рассеянием
и дросселем насыщения; 2 – магнитопровод дросселя насыщения;
3 – обмотка управления; 4 – источник постоянного тока; R – реостат;
5 и 6 – рабочие обмотки дросселя; Ф5, Ф6 и Фу – магнитные потоки
рабочих обмоток и обмотки управления
При включении обмотки управления в магнитопроводе (сердечнике) возникает постоянный магнитный поток управления Фу:
(2.29)
. (2.30)
Этот поток, насыщая железо сердечника, увеличивает его магнитное сопротивление, что согласно с (2.29) приводит к уменьшению индуктивного сопротивления дросселя. Регулируя величину тока в управляющей обмотке Iу,
можно изменять величину индуктивного сопротивления дросселя в широком
диапазоне (рис. 2.8).
48
Электрическое регулирование сварочного тока обладает важными досто-
o
po
Ф
ФФ
k
Х
др
Х
max
Х
min
Iу
инствами: плавность регулирования, компактность регулятора, возможность
дистанционного и программного управления, отсутствие подвижных частей,
что повышает надежность и долговечность дросселя. К недостаткам дросселя
насыщения можно отнести большой расход трансформаторного железа и обмоточных проводов, а также относительную сложность конструкции.
Рис. 2.8. Зависимость индуктивного сопротивления дросселя Хдр
от величины управляющего тока I
у
Трансформаторы с нормальным магнитным рассеянием, в которых регулирование режимов сварки осуществляется с помощью дросселей, по массогабаритным характеристикам и сварочным свойствам уступают трансформаторам
с увеличенным рассеянием, поэтому их производство сокращается.
2.4.2. Сварочные трансформаторы с увеличенным магнитным рассеянием
В отличие от трансформаторов с нормальным рассеянием, у которых потоки рассеяния минимальны (ФР 0 см. рис. 2.3), большая часть сварочных
трансформаторов специально разработана с увеличенным магнитным рассеянием. Это достигается размещением первичной и вторичной обмоток на значительном расстоянии друг от друга. Чем больше величина потоков рассеяния,
тем меньше поток (ФО - ФР), который передает электрическую энергию первичной обмотке через магнитопровод на вторичную обмотку (см. рис. 2.3).
Напомним, что магнитную связь между первичной и вторичной обмотками
оценивают величиной коэффициента магнитной связи kм
. (2.31)
У сварочных трансформаторов с увеличенным рассеянием потоки рассеяния (ФР) искусственно увеличены, поэтому для них k < 1. Эти потоки в соб-
49
ственной (первичной) обмотке наводят ЭДС самоиндукции, создавая индуктив-
po
o
2
2
T
ФФ
Ф
f
k
f
X
Фо - Фр
4 3 2
Ф
р
δ
Ф
р
Ф
о
1
ное сопротивление, а вторичной обмотке энергию не передают.
В трансформаторах с увеличенным рассеянием велико индуктивное сопротивление, что в соответствии с формулами (2.18а) и (2.19а) позволяет формировать падающую характеристику и регулировать режимы без дополнительных устройств (резистора, дросселя и др.).
. (2.32)
Из этой формулы следует, что индуктивное сопротивление трансформатора можно изменять с помощью регулирования величины потоков рассеяния
ФР. При увеличении Ф
знаменатель в формуле (2.32) уменьшается и, следова-
Р
тельно, индуктивное сопротивление ХТ возрастает.
В настоящее время величину потоков рассеяния регулируют следующими
способами:
- изменением расстояния между первичной и вторичной обмотками
(трансформаторы с подвижными обмотками);
- изменением магнитного сопротивления шунта на пути потоков рассеяния
(трансформаторы с магнитным шунтом).
Конструктивная схема трансформатора с подвижными обмотками показана на рис. 2.9.
Рис. 2.9. Конструктивная схема трансформатора
с подвижными обмотками
50
На стержневом магнитопроводе 3 размещены цилиндрические первичная
cX
T
Х
Т
, Ом
I2, А
последовательное
соединение катушек
параллельное соединение
катушек
большие токи
малые токи
, мм
, мм
а)
б)
1 и вторичная 2 обмотки. Каждая обмотка разбита на две катушки, которые для
ступенчатого регулирования могут соединяться друг с другом последовательно
(диапазон малых токов) или параллельно (диапазон больших токов). Подвижная обмотка (обычно вторичная) перемещается винтовым приводом 4, при этом
изменяется расстояние между первичной и вторичной обмотками. Основной
поток трансформатора ФО замыкается по магнитопроводу, поток рассеяния ФР
– по воздуху в пространстве между первичной и вторичной обмотками. Оче-
видно, чем ближе друг к другу первичная и вторичная обмотки (чем меньше ),
тем меньше потоки рассеяния ФР, замыкающиеся по воздуху. С увеличением
зазора возрастают потоки рассеяния, а это, как было сказано выше, согласно
формуле (2.32) приводит к увеличению индуктивного сопротивления трансформатора. Приближенно можно считать, что индуктивное сопротивление
трансформатора пропорционально зазору :
. (2.33)
На рис. 2.10 и 2.11 представлены регулировочные и внешние характеристики трансформатора с подвижными обмотками.
Рис. 2.10. Зависимость индуктивного сопротивления трансформатора XT
и тока в сварочной цепи от зазора между обмотками
Регулирование сварочного тока у трансформатора с подвижными обмотками осуществляется плавно за счет изменения его индуктивного сопротивления (рис. 2.10) и ступенчато – переключением катушек параллельно или последовательно.
При параллельном соединении катушек трансформатор имеет небольшое
индуктивное сопротивление (см. рис. 2.10, а) и напряжение холостого хода U2X
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]