27.Конструкції та принципи роботи зварювальних трансформаторів

Широко застосовуються в промисловостi зварювальнi трансфоматори (далі ЗТ) з рухомими котушками як переносного типу (ТДМ-165УЗ, ТДМ-254У2), так i пересувнi - (ТДМ-317У2, ТДМ-401У2, ТДМ-503У2, ТД-500 i т.д).

Розглянемо конструкцiю трансформатора такого типу на прикладi ЗТ марки ТДМ-401У2 (рис.5.5), призначеного для живлення ручного дугового зварювання, рiзання i наплавлення.

Трансформатор призначений для роботи в районах помiрного клiмату на вiдкритому повiтрi пiд навiсом, являє собою пересувну установку в однокорпусному виконаннi з природною вентиляцiєю i складається з осердя магнiтопроводу-1, трансформаторних обмоток (первинної та вторинної)-2,3, перемикача дiапазонів струмiв-4, кожуха-6. Магнiтопровід ЗТ стрижневого типу, на якому крiпляться обмотки. Котушки первинної обмотки нерухомi, закрiпленi бiля нижнього ярма i виконанi з iзольованого алюмiнiєвого дроту марки АПСД, причому для мiжшарової iзоляцiї застосовується склотканина. Котушки вторинної обмотки - рухомі, закрiпленi бiля верхнього ярма, намотанi на «ребро» голою алюмiнiєвою шиною марки АДО та iзольованi скляною стрiчкою. Вiд осердя магнiтопровода обмотки iзольованi спецiальними пресованими планками. Осердя трансформатора зiбране з листiв електротехнiчної сталi марки 3414 товщиною 0,35 мм i виконане у виглядi безшпилькової конструкцiї. Через верхнє ярмо осердя пропущений ходовий гвинт, який угвинчується в ходову гайку, вмонтовану в обойму рухомих вторинних котушок. При обертаннi гвинта за допомогою ручки-5 перемiщуються вториннi котушки, змiнюючи тим самим iндуктивний опiр трансформатора i, вiдповiдно, зварювальний струм. Для виключення вiбрацiї рухомих котушок обойма їх крiплення споряджена плоскими пружинами, якi при перемiщеннi ковзають по магнiтопроводу. Пiдключення мережi i зварювальних дротів здiйснюється через спецiальнi роз’єми, розташованi на передній сторонi трансформатора. Перемикання дiапазонів струму (ступiнчасте регулювання) виконується перемикачем, ручку якого виведено на кришку кожуха. Для вiдрахування величини зварювального струму призначена стрiлка, безпосередньо зв’язана з обоймою крiплення вторинних котушок. Вiдрахування здійснюється за шкалою, вiдградуйованою для двох дiапазонiв струму i розташованою на боковинi кожуха. Трансформатор має ємнiсний фiльтр для зниження радiоперешкод, якi утворюються в процесi зварювання. Для зручностi перемiщення ЗТ споряджений чотирма колесами i ручкою, а для пiднiмання - римболтами, розташованими на кришцi кожуха.

Трансформатори з рухомими магнiтними шунтами виконанi на магнiтопроводах стрижневого типу i мають дисковi обмотки, розташованi симетрично на двох стрижнях осердя-магнiтопровода-3 (рис. 5.8).

У вiкнi магнiтопровода мiж первинною-1 i вторинною-2 обмотками встановлено магнiтний шунт-4. Мiж стрижнями осердя i шунтом передбачено повiтрянi зазори «а». Розсiяння в трансформаторi створюється за рахунок рознесеня первинних i вторинних обмоток одна вiд одної на визначену вiдстань, що призводить до появи значних потокiв розсiяння Ф_1Р i Ф_2Р. У конструкцiях трансформаторiв передбачено повне i часткове рознесення обмоток-1 i обмоток-2 вiдносно шунта. При повному рознесеннi первиннi i вториннi обмотки розташованi по рiзнi боки шунта (рис.5.8

а), а при частковому - вторинна обмотка складається з двох секцiй: основної-2 з числом виткiв W₂₀ i додаткової-5 з числом виткiв W_2Д (рис.5.8 б). Додаткова обмотка розмiщена поряд з первинною i має з нею добрий магнiтний зв’язок. Трансформатори з повнiстю рознесенними обмотками доцiльно виконувати на струми до 200-250 А. Для подальшого збiльшення струму навантаження необхiдно знижувати кiлькiсть виткiв первинних i вторинних обмоток. У цьому випадку порушується оптимальне спiввiдношення витрат обмоточних матерiалiв i сталi, масогабаритнi показники трансформатора зростають. Повному рознесенню вiдповiдає дiапазон малих струмiв. При переходi на дiапазон великих струмiв вмикається обмотка з числом виткiв W_2Д i вимикається частина обмотки з числом виткiв W₂₀. Бiльш досконалу схему з’єднання обмоток подано на рис.5.8 б, де дiапазону великих струмiв вiдповiдає паралельне з’єднання котушок вторинної обмотки. При переходi на дiапазон малих струмiв додатковi котушки-5 вимикаються, а основнi-2 вмикаються послiдовно, причому в цьому випадку спостерiгається збiльшення напруги неробочого ходу. Перехiд з одного дiапазона на другий не вимагає перемикання виткiв первинної обмотки, що пiдвищує строк служби трансформатора.

Зварювальнi трансформатори з нерухомим пiдмагнiчувальним

шунтом

Основна перевага таких трансформаторів полягає у вiдсутностi рухомих частин, що надає їм бiльш високої надiйностi i довговiчностi. Крiм цього, вони мають малу iнерцiйнiсть регулювання i забезпечують простоту дистанцiйного керування. До недолiкiв можна вiднести значнi витрати активних матерiалiв i невисокi енергетичнi показники. Трансформатори такого типу застосовуються у виглядi джерел для аргоно-дугового зварювання i автоматичного зварювання пiд флюсом. На рис.6.1 подано функцiональну схему зварювального трансформатора для автоматичного зварювання пiд флюсом, де Т - стрижневий трансформатор з нерухомим шунтом, РС - регулятор зварювального струму, БДА - блок допомiжної i захисної апаратури. До блоку РС входять: VS-тиристорний регулятор струму, СФК - блок системи фазового керування тиристорами i БК - блок керування.

Тиристорнi трансформатори (ТТ) - це джерела живлення дуги змiнного струму, в основу конструкції яких покладено спосiб фазового регулювання струму або напруги.

Основним вузлом ТТ є тиристорний фазорегулятор, який працює із силовим трансформатором i складається з двох зустрiчно-паралельно включених тиристорiв i системи їх керування. Функцiональну схему тиристорного трансформатора подано на рис.6.5.

Блок фазового керування (БФК), який здiйснює регулювання змiнного струму, побудований на перетвореннi синусоїдного струму у знакозмiннi iмпульси, амплiтуда i тривалiсть яких визначається кутом (фазою) ввімкнення тиристорiв. Трансформатор Т слугує для зниження напруги мережi до необхiдної при зварюваннi i має магнiтопровiд стрижневого типу з фiксованим пiдвищеним магнiтним розсiянням. Вiдсутнiсть рухомих частин i шунтiв, якi вимагають високої якостi складання i схильних до вибрацiї, дозволяють зробити силовий трансформатор простим у виготовленнi i довговiчним в експлуатацiї. Тиристорний фазорегулятор ФР, який містить в себе комутатор К, блок БФК i блок завдання напруги БЗН або струму БЗС, виконує функцiї регулювання режиму i формування

Трансформатори типу ТДФЖ-1002У3 i ТДФЖ-2002У3 призначенi для автоматичного зварювання пiд флюсом. Вони мають тиристорне регулювання i забезпечують iмпульсну стабiлiзацiю процесу зварювання. Магнiтопровiд силового

трансформатора-4 стрижневого типу, набiрний i виготовлений зi сталi марки 3414, товщина листiв 0,35 мм (рис.6.12).

Обмотки виконанi шиною, намотаною на ребро, i встановленнi на стрижнях на заданiй вiдстанi один вiд одного. Тому природнi характеристики трансформатора - спадні. Первинна-1 i вторинна-2 обмотки складаються кожна з двох котушок, роздiлених на двi послiдовно з’єднанi секцiї. Мiж секцiями котушок вторинної обмотки встановленi обмотки iмпульсної стабiлiзацiї. У вiкнi трансформатора розмiщеннi двi котушки реакторної обмотки-3, якi дозволяють проводити ступінчасте регулювання струму.

Конструкція однофазних трансформаторів живлення

Основні частини трансформаторів – обмотки, що здійснюють електромагнітне перетворення енергії, і магнітопровід (магнітна система), виконаний з феромагнітного матеріалу і призначений для локалізації магнітного потоку і посилення електромагнітного зв'язку обмоток. Магнітопроводи трансформаторів малої потужності виготовляють з листової або стрічкової електротехнічної сталі товщиною 0,1 - 0,35 мм.

Залежно від конфігурації магнітопроводу розрізняють трансформатори стрижневого, броньового і кільцевого типів. Магнітопровід навивають з вузької стрічки на верстатах, при цьому магнітопровід броньового типу збирають з двох магнітопроводів стрижневого типу. Шари стрічки ізолюють один від одного тонким шаром оксиду, плівкою лаку або папером з метою зменшення вихрових струмів. Навиті магнітопроводи трансформаторів стержневого і броньового типів розрізають на дві половини для створення можливості монтажу на них заздалегідь намотаних обмоток. Після монтажу обмоток половини знову з'єднують і щільно стягують спеціальними обтискачами. Використання стрічки, нарізаної вздовж напрямку найбільшої магнітної проникності матеріалу, дозволяє створювати магнітопроводи, на всіх ділянках яких магнітний потік йде по шляху найменшого опору магнітного матеріалу. Ділянки магнітопроводу, на яких розташовані обмотки, називають стрижнями, інші ділянки – ярмом. Для забезпечення постійної магнітної індукції по всьому магнітопроводу у трансформаторів броньового типу ширина центрального стрижня в два рази більша, ніж бічних ділянок ярма.

Обмотка трансформатора – це сукупність витків, що утворюють електричний ланцюг, в якому підсумовується ЕРС витків. Обмотки трансформаторів стержневого і броньового типів представляють собою котушки, намотані з ізольованого дроту, в більшості випадків мідного, на ізолюючий каркас або гільзу. Окремі шари проводів ізолюють один від одного тонкою міжшаровою ізоляцією зі спеціального паперу або тканини, просоченої лаками. Між обмотками прокладають більш товсту міжобмоткову ізоляцію. Обмотки трансформатора, до яких підводиться електрична енергія, називають первинними, обмотки, від яких електрична енергія відводиться – вторинними. Якщо на стержні в межах котушки первинні та вторинні обмотки розташовуються концентрично одна поверх іншої, їх називають концентричними. При цьому у стрижневого трансформатора в котушках містяться по половині витків кожної з обмоток. Можливе роздільне розташування первинних і вторинних обмоток на кожному зі стрижнів, але магнітна зв'язка обмоток в цьому випадку погіршується.

Якщо обмотки чергуються в осьовому напрямку стрижня у вигляді окремих котушок, що мають форму дисків, їх називають почерговими. У кільцевих трансформаторах обмотки намотують безпосередньо на ізольований магнітопровід одна поверх іншої по всій довжині магнітопроводу, при цьому на внутрішній стороні кільця шарів виходить більше, ніж на зовнішній.

Підвищення електричної міцності трансформаторів та їх стійкості до механічних і атмосферних впливів досягається шляхом просочення обмоток ізоляційними лаками, компаундами або заливкою трансформаторів в епоксидну смолу. Стрижневі трансформатори мають найкращі умови охолодження через велику поверхню охолодження обмоток. Броньові трансформатори завдяки меншій кількості котушок мають менші розміри і більш прості у виготовленні. Кільцеві трансформатори відрізняються малими потоками розсіювання і низьким опором сердечника завдяки відсутності повітряних зазорів на шляху потоку, проте вони більш складні у виготовленні через неможливість попереднього намотування обмоток поза магнітопроводом.

Магнітопроводи стрижневих трансформаторів збирають з листів П-подібної форми, броньових - із Ш-подібної форми, кільцевих – з кілець.

Принцип дії трансформатора

Принцип роботи трансформатора розглянемо на прикладі однофазного трансформатора з двома обмотками, первинна обмотка якого з числом витків w1 включена в однофазну мережу змінного струму з напругою u1, а вторинна обмотка з числом витків w2 замкнута на опір навантаження Zн. Під дією прикладеної напруги u1 первинною обмоткою протікає струм i1, що створює магніторушійну силу первинної обмотки F1 = i1·w1, яка призводить до появи змінного магнітного потоку. Основна частина потоку (потік взаємоіндукції Ф0) замикається по магнітопроводі, зчіплюється з обома обмотками і наводить в них ЕРС e1 та e2. Невелика частина потоку Фσ1, названа потоком розсіювання первинної обмотки, замикається по повітрю безпосередньо навколо цієї обмотки.

У вторинній обмотці ЕРС e2 викликає струм i2, на опорі навантаження Zн знімається вихідна напруга u2 = i2·Zн і вихідна потужність P2 = u2·i2. Одночасно струм i2 створює магніторушійну силу вторинної обмотки F2 = i2·w2, напрямок якої в контурі магнітопроводу визначається за правилом Ленца. Значення потоку взаємоіндукції Ф0 визначається результуючим дією магніторушійної сили F1 і F2. В обох обмотках ЕРС взаємоіндукції визначаються відповідно до закону електромагнітної індукції:

e1 = - w1dФ0/dt; e2 = - w2dФ0/dt

Потік Фσ1 наводить ЕРС самоіндукції в первинній обмотці:

eσ1 = - Lσ1di1/dt

де Lσ1 – індуктивність первинної обмотки, відповідна до потоку розсіювання.

При збільшенні струму навантаження i2 магніторушійна сила F2 прагне зменшити потік Ф0 і тим самим – ЕРС e1. Оскільки трансформатори виконують з мінімальними потоками розсіювання і мінімальним активним опором обмоток, основна частина прикладеної напруги u1 врівноважується ЕРС e1, яка спрямована в контурі обмотки зустрічно напрузі u1. При незмінній амплітуді напруги u1 струм i1 збільшується. Таким чином, приріст вихідної потужності покривається за рахунок збільшення споживаної потужності P1 = u1·i1. Збільшення струму i1 призводить до збільшення магніторушійної сили F1, і потік Ф0 відновлюється до колишнього значення. Невелике зменшення потоку може бути викликане падінням частини прикладеної напруги на опорі обмотки. Ця зміна тим більша, чим менша потужність трансформатора, однак при зміні струму навантаження від нуля (холостий хід) до номінального значення воно не перевищує декількох відсотків.

Співвідношення напруг на вході і виході трансформатора визначається в основному співвідношенням ЕРС взаємоіндукції в первинній та вторинній обмотках, яке називається теоретичним коефіцієнтом трансформації:

Kт = E1/E2 = w1/w2

Як видно, співвідношення напруг на обмотках трансформатора визначається співвідношенням кількості витків.

При проектуванні і виготовленні магнітопроводів трансформаторів слід зводити до мінімуму повітряні зазори на шляху основного магнітного потоку, так як магнітна проникність повітря значно менша від магнітної проникності феромагнітних матеріалів.

Слід зазначити, що поряд з трансформаторами, що мають фіксований коефіцієнт трансформації, випускається ряд типів трансформаторів з регульованою вторинною напругою. В основному регулювання здійснюється зміною співвідношення між числами витків первинної і вторинної обмоток. При ступінчастому регулюванні обмотка, зазвичай вторинна, має ряд відгалужень з різним числом витків. Для плавного регулювання трансформатор може бути виготовлений з ковзаючим контактом – щітками, що переміщаються неізольованою контактною доріжкою на поверхні провідників вторинної обмотки і підключають до виходу різне число витків.

Принцип роботи трифазного трансформатора

Трифазні трансформатори потужністю в одиниці і десятки кВ · А зазвичай виготовляютьт з єдиною магнітною системою фаз. В цьому випадку конструкція магнітної системи нагадує конструкцію магнітної системи однофазного броньового трансформатора з тією лише різницею, що тут поперечний переріз всіх трьох стрижнів однаковий. Основні схеми з'єднання обмоток фаз – зірка і трикутник. При схемі зірка кінці обмоток з'єднуються в загальну нульову точку, початки під'єднують до зовнішнього ланцюга. При схемі трикутник по черзі з'єднують початки і кінці обмоток фаз.

Трифазні трансформатори широко використовуються як трансформатори статичних перетворювачів, що застосовуються для живлення електроприводів.

Принцип роботи імпульсних трансформаторів

Імпульсні трансформатори застосовують в радіоелектроніці і обчислювальній техніці для перетворення короткочасних сигналів з крутими фронтами, в основному прямокутних імпульсів тривалістю до часток мікросекунди. Основна вимога до імпульсних трансформаторів, полягає в мінімальному спотворенні форми імпульсів і зниженні тривалості фронтів імпульсів. Спотворення пояснюється нелінійністю кривої намагнічування матеріалу магнітопроводу, наявністю потоків розсіювання обмотки і збільшеним, у міру зростання частоти імпульсів, впливом вихрових струмів в магнітопроводі та паразитних міжвиткових і міжобмоткових ємностей. Зокрема, електромагнітна стала часу трансформатора, що визначає тривалість фронтів імпульсу, тим більша, чим більша індуктивність розсіювання, паразитна ємність обмоток і вихрові струми. Зменшення розсіювання в імпульсних трансформаторах досягається використанням кільцевих магнітопроводів, зменшення вихрових струмів – використанням магнітопроводів з фериту або тонкої пермалоєвої стрічки, зменшення ємності – спеціальною схемою укладання проводів і металевими екранами. Лінійність намагнічування забезпечується вибором відповідного матеріалу магнітопроводу і малими значеннями індукції.

Слід мати на увазі, що трансформація прямокутних імпульсів можлива тільки в тому випадку, якщо тривалість імпульсів tі значно менша від повної електромагнітної постійної часу первинної обмотки. В іншому випадку в трансформаторі встановиться постійний потік і вихідна ЕРС буде дорівнювати нулю.