2.24 Трансформаторы для электродуговой сварки, преобразования числа фаз и частоты

Сварочные трансформаторы. Эти трансформаторы представляют собой понижающие однофазные сухие трансформаторы со вторичным напряжением при холостом ходе 60 — 75 В. Такое напряжение необходимо для надежного зажигания электрической дуги. При номинальной нагрузке вторичное напряжение уменьшается до 30 В.

При работе сварочных трансформаторов короткое замыкание является нормальным эксплуатационным режимом. Поэтому для ограничения тока короткого замыкания и устойчивого горения дуги такой трансформатор должен иметь крутопадающую внешнюю характеристику, а цепь сварочного тока должна обладать значительной индуктивностью. Для этого в сварочных трансформаторах обмотки размещают на различных стержнях магнитопровода и их соединяют последовательно, вследствие чего сопротивление короткого замыкания Z_к и напряжения u_к оказывается у них в несколько раз больше, чем у обычных силовых трансформаторов. Между обмотками располагают подвижные магнитные шунты, позволяющие изменять магнитные потоки рассеяния и осуществлять этим регулирование сварочного тока.

В некоторых типах сварочных трансформаторов последовательно со вторичной обмоткой включают реактор L с переменной индуктивностью (рис. 2.78, а). Регулируя индуктивность реактора (изменяя воздушный зазор в его магнитопроводе), изменяют форму внешней характеристики 1 или 2 трансформатора (рис. 2.78, б) и ток дуги I₂₁ или I₂₂ соответствующий напряжению горения дуги U_д.

Рис. 2.78 - Электрическая схема (а) и внешние характеристики (б) сварочного трансформатора: 1 — трансформатор; 2 — реактор с переменной индуктивностью; 3 — электрод; 4 — свариваемая деталь

В некоторых конструкциях реактор непосредственно встраивают в сварочный трансформатор. Такой трансформатор имеет три обмотки: первичную 1 (рис. 2.79), вторичную 3 и обмотку реактора 4, расположенные на общем магнитопроводе. Среднее ярмо 2 является общим для цепей трансформатора и реактора. Обмотки 3 и 4 включены таким образом, что магнитный поток, создаваемый обмоткой реактора 4 в ярме 2, направлен против основного потока, создаваемого первичной обмоткой 1. Благодаря этому существенно возрастает магнитное рассеяние в трансформаторе при сравнительно небольшом поперечном сечении ярма 2. Из-за наличия в цепи нагрузки большой индуктивности сварочные трансформаторы работают с низким cosα = 0,4 ÷ 0,5.

Рис. 2.79 - Электромагнитная схема сварочного трансформатора с встроенным реактором

Трансформаторные схемы для преобразования числа фаз. При питании однофазных нагрузок большой мощности от сети трехфазного тока из-за неравномерности нагрузок отдельных фаз возникают значительные искажения симметрии трехфазных напряжений. В этом случае для выравнивания нагрузок фаз применяют специальные схемы включения трансформаторов: схему трехфазно-двухфазного преобразования (называемую иногда схемой Скотта) и схему включения двух однофазных трансформаторов (или двух фаз трехфазного трансформатора) в открытый треугольник. Эти схемы используют, в частности, для питания переменным током контактной сети электрифицированного транспорта.

В схеме трехфазно-двухфазного преобразования используют два однофазных трансформатора Tp1 и Тр2 (рис. 2.80, а) с различными коэффициентами трансформации. Трансформатор Tpl называют базовым и включают между двумя фазами трехфазной сети. Трансформатор Тр2 называют высотным и включают между третьей фазой сети и средней точкой первичной обмотки трансформатора Tp1. При таком включении напряжения Ù_ВС и Ù_A0 (рис. 2.80, б) сдвинуты по фазе на угол 90°. На такой же угол сдвинуты и вторичные напряжения Ù₁ и Ù₂. Для получения одинаковых по величине вторичных напряжений коэффициент трансформации трансформатора Тр2 должен быть в раз больше, чем трансформатора Tp1. При симметричной нагрузке вторичной цепи токи в первичной трехфазной цепи также являются симметричными. Если нагрузки Z_нl и Z_н2 не равны, то одна из фаз трехфазной сети загружена эквивалентной мощностью Р_экв = Р₁ – Р₂ .

При использовании схемы “открытый треугольник” (рис. 2.80, в, г) эквивалентная однофазная нагрузка трехфазной сети имеет порядок большей из нагрузок P₁ или Р₂. Если бы питание нагрузок Z_нl и Z_н2 происходило от однофазного трансформатора, то на одну фазу приходилась бы нагрузка Р₁ + Р₂.

Рис. 2.80 - Трансформаторные схемы для преобразования трехфазного тока в однофазный (а) и (в) и их векторные диаграммы (б, г)

Преобразование частоты. Наибольшее применение получили трансформаторные схемы для удвоения и утроения частоты. Утроение частоты необходимо, в частности, в преобразователях, выполненных по схеме “две обратные звезды с уравнительным реактором”, для устранения скачков выпрямленного напряжения при работе с малой нагрузкой.

Трансформаторная схема для удвоения частоты (рис. 2.81, а) состоит из двух однофазных трансформаторов Tp1 и Тр2, каждый из которых имеет три обмотки: первичную 1, подмагничивающую 3 и вторичную 2. Первичные обмотки этих трансформаторов соединены встречно, а вторичные и подмагничивающие — согласно. Поэтому в течение первого полупериода питающего напряжения u₁ в одном из трансформаторов действует сумма МДС (F_пм + F_μ), а в другом - их разность (F_пм – F_μ), где F_пм и F_μ — МДС, создаваемые подмагничивающей и первичной обмотками.

Рис. 2.81 - Трансформаторная схема для удвоения частоты (а) и кривые изменения напряжения, потоков и ЭДС (б)

В результате магнитопровод в первом трансформаторе насыщается и его поток Ф₁ приобретает уплощенную форму (рис. 2.81, б), в кривой же потока Ф₂ в магнитопроводе второго трансформатора появляется значительный провал. В следующий полупериод направление F_μ изменяется, а направление F_пм остается неизменным, что приводит к соответствующему изменению формы кривых Ф₁ и Ф₂: они оказываются сдвинутыми относительно друг друга на 180°. Таким образом, кривые Ф₁ и Ф₂ имеют несимметричную форму, а следовательно, содержат как четные, так и нечетные гармонические.

При встречном включении первичных обмоток индуцируемая в них результирующая ЭДС е₁ уравновешивающая первичное напряжение u₁ создается разностью потоков Ф₁ и Ф₂ Эта разность изменяется с частотой f₁ питающего напряжения и не содержит четных гармонических. Результирующая ЭДС, индуцированная в соединенных согласно вторичных обмотках, создается суммой потоков (Ф₁ + Ф₂), которая не содержит первую и другие нечетные гармоники. Поэтому вторичная ЭДС е₂ и вторичное напряжение u₂ определяются в основном второй гармонической потоков Ф₁ и Ф₂, т. е. изменяются с двойной частотой 2f₁. Выходное напряжение U₂ можно регулировать, изменяя силу тока в подмагничивающих обмотках. Для того чтобы по подмагничивающим обмоткам не протекали переменные токи, созданные четными гармоническими ЭДС, в цепь их питания включают реактор L. Первая и другие нечетные гармонические ЭДС в них взаимно компенсируются благодаря согласному включению этих обмоток.

Для компенсации падения напряжения во вторичных обмотках последовательно с нагрузкой Z_н обычно включают емкость С. Она повышает cosφ схемы удвоения частоты и уменьшает наклон ее внешней характеристики.

Трансформаторные схемы для утроения частоты основаны на использовании третьей гармонической, возникающей при насыщении сердечников трансформаторов, подключенных к сети трехфазного тока с частотой f₁. В 2.21 показано, что при соединении вторичной обмотки трансформатора по схеме Д третьи гармонические ЭДС отдельных фаз совпадают по времени; при этом по обмотке циркулируют токи тройной частоты. Следовательно, выполняя сердечник трансформатора насыщенным (чтобы третьи гармонические Э ДС имели большую величину) и соединяя вторичные обмотки в “открытый треугольник” (рис. 2.82, а), на подключенную к ним нагрузку Z_н можно подавать напряжение тройной частоты 3f₁.

Рис. 2.82 - Трансформаторные схемы для утроения частоты

Тот же результат получается при использовании трех отдельных однофазных трансформаторов Tpl, Тр2, ТрЗ (рис. 2.82, б) или одного однофазного трансформатора Тр и трех реакторов L1, L2, L3 с насыщенным магнитопроводом (рис. 2.82, в). При этом ток в каждом из реакторов не синусоидален и содержит значительную по величине третью гармоническую. В нулевой точке О₁ сумма токов основной частоты f₁ равна нулю; токи частоты 3f₁ складываются, и по первичной обмотке трансформатора Тр проходит ток, равный утроенному значению этих токов в каждом реакторе. Поэтому во вторичной обмотке трансформатора индуцируется ЭДС тройной частоты. Для компенсации падения напряжения в трансформаторах, которое при тройной частоте значительно возрастает, последовательно с нагрузкой Z_н включают емкость С.