2.7. Конструкции и принципы работы сварочных трансформаторов

2.7.1. Сварочные трансформаторы с нормальным рассеянием и отдельным реактором

Конструкция источника питания переменного тока представляет собой систему питания рис.2.6, состоящую из, трансформатора (рис.2.6 ,а) и реактивной катушки - реактора (рис.2.6 ,б).

Рис.2.6. Конструкция трансформатора (а), отдельного реактора (б)

Трансформатор (рис.2.6) обычно имеет стержневой магнитопровод 1, первичную 2 и вторичную 3 обмотки, каждая из которых состоит из двух катушек. Число витков вторичной обмотки меньше, чем у первичной. Трансформатор понижает сетевое напряжение до необходимого при сварке. Вторичные катушки концентрично надеты на первичные. В этом случае практически весь магнитный поток, создаваемый первичной обмоткой, пронизывает вторичную, поэтому поток рассеяния очень мал. Такая конструкция называется трансформатором с нормальным рассеянием. Его индуктивное сопротивление мало, поэтому внешняя характеристика - практически жесткая.

Реактор (рис.2.6,б) состоит из магнитопровода 4, обмотки 5 и подвижного пакета 6. Обмотка реактора обладает большой индуктивностью и включается последовательно в цепь вторичной обмотки трансформатора последовательно с дугой. Это способствует получению падающей внешней характеристики питающей системы. Пакет 6 реактора может перемещаться с помощью привода 7. При этом меняется воздушный зазор ℓ_в в магнитной цепи реактора, что приводит к изменению его индуктивности.

Анализ режима работы трансформатора с отдельным реактором

Режим холостого хода возникает при отсутствии нагрузки в цепи вторичной обмотки. При подачи сетевого напряжения U₁ в первичной обмотке появляется ток холостого хода, создающий в сердечнике трансформатора магнитный поток. ЭДС, наводимая этим потоком во вторичной обмотке, полностью подается на клеммы вторичной обмотки и далее без потерь на клеммы системы питания. Напряжение холостого хода питающей системы

U_о = U₁ w₂/w₁ . (2.17)

Режим нагрузки по вторичной цепи трансформатора, по обмотке дросселя и дуге проходит ток I₂ . Поскольку трансформатор имеет малое индуктивное сопротивление потери напряжения в нем невелики и напряжение на вторичной обмотке практически не меняется по сравнению с режимом холостого хода:

U₂ = Е₂ » U_о . (2.18)

При протекании тока I₂ по обмотке реактора в нем наводиться значительная ЭДС Е_{L ,} действие которой принято считать эквивалентным падением напряжения на индуктивном сопротивлении Х_L :

Е_L = - I₂ Х_L. . (2.19)

В связи с малым активным сопротивлением трансформатора, реактора и проводов для упрощения анализа падением напряжения в них пренебрегают. Тогда уравнение внешней характеристики системы

U_и = U₂+ Е_L = U₂ - I₂ Х_L

и учтя (2.18) получают уравнение внешней характеристики для системы:

U_и = U_о - I₂ Х_L (2.20)

Графическое изображение внешней характеристики приведено на рис.2.7. Внешняя характеристика трансформатора U₂ = f(I₂ ) практически жесткая. Благодаря большому индуктивному сопротивлению Х_L реактора, с ростом тока увеличиваются потери напряжения на реакторе и уменьшается - на выходе питающей системы.

Падающая внешняя характеристика питающей системы, состоящей из трансформатора с нормальным рассеянием и отдельным реактором, падающая благодаря большому индуктивному сопротивлению реактора.

Рис. 2.7. Внешняя характеристика источника питания с отдельным реактором

Режим короткого замыкания. U_и = 0, а ток короткого замыкания I_к =U_o/X_L.

Настройка режима трансформатора с дросселем. Из (2.29) приняв , что U_и = U_д

I₂ = (U_o - U)/ X_L. (2.21)

Для установления зависимости индуктивного сопротивления реактора X_L от его электромагнитных параметров рассмотрим электрические процессы в нем при нагрузке. При появлении тока I₂ обмотка реактора создает в его магнитопроводе поток:

Ф_L=√2I₂wL/R_mL / (2.22)

Магнитное сопротивление R_mL на пути потока складывается из двух составляющих: сопротивления железа и воздушного зазора, из которых второе значительно преобладает

R_mL = ℓ_ж / (m _ж S_ж ) + ℓ_в / (m _в S_в ) » ℓ_в / (m _в S_в ) (2.23)

Магнитное сопротивление R_mL зависит от величины воздушного зазора ℓ_ , магнитной проницаемости воздуха и площади сечения потока в зазоре S_В.

Поток Ф_L наводит в обмотке реактора ЭДС :

Е_L = 4,44 f w_L Ф_L (2.24)

Подставляя в (2.24) Ф_L и R_mL получаем :

Е_{L =} w w_L² I² / R_mL (2.25)

Из анализа (2.24) и (2.25) следует, что w w_L² / R_mL представляет собой индуктивное сопротивление реактора, т.е.

Х_L = w w_L² / R_mL (2.26)

Основной способ настройки режима заключается в изменении индуктивного сопротивления реактора Х_L за счет изменения воздушного зазора ℓ_ в его магнитной цепи. Например, при увеличении зазора ℓ_ растет магнитное сопротивление R_mL и , в соответствии с (2.26) уменьшается Х_L , а это согласно (2.21) приводит к увеличению I₂. Возможно также и витковая настройка режима за счет изменения числа витков первичной w₁ или вторичной w₂ обмоток. Например, при увеличении w₂ в соответствии с (2.17) увеличивается напряжение холостого хода U_o , а, следовательно, и ток I₂ (2.21). При увеличении w₁ ток соответственно снизиться:

Витковая настройка тока I₂ одновременно приводит к изменению напряжения холостого хода U_o. Поскольку диапазон их изменения ограничен, витковое регулирование трансформаторов используется редко. Еще реже используется витковая настройка реактора.

Индуктивное сопротивление дросселя можно регулировать не только механическим, но и электрическим путем. Этот принцип реализован в конструкции дросселя насыщения. Принцип работы дросселя насыщения основан на взаимодействии магнитных потоков обмотки управления и рабочих обмоток, приводящих к значительному изменению индуктивного сопротивления X_L реактора.

Электрическое изменение сварочного тока обладает важнейшими достоинствами: плавность, компактность регулятора, возможность дистанционного и программного управления, отсутствие подвижных частей. Это повышает надежность и долговечность источника.

Наличие реактора ( значительной индуктивности) в цепи сварочного тока искажает форму тока, уменьшая скорость его нарастания при переходе через нуль. Это снижает устойчивость горения дуги на переменном токе. Исправить кривую сварочного тока или придать ей прямоугольную форму можно за счет изменения формы тока , питающего обмотку управления реактора насыщения, что является его достоинством.

Реакторы с компенсированными намагничивающими потоками имеют большую массу и стоимость. В настоящее время, они используются в конструкциях специализированных источников питания .