Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
konspekt_ZDG.rtf
Скачиваний:
27
Добавлен:
04.08.2019
Размер:
15.12 Mб
Скачать

3.2. Загальнi рiвняння роботи однофазних зварювальних трансформаторiв

Загальнi рiвняння роботи трансформаторiв можуть бути одержанi зі спрощених еквiвалентних схем замiщення, в яких магнiтний зв’язок мiж первинною i вторинною обмотками замiнюється електричним. Схема замiщення повинна бути еквiвалентною трансформатору, тобто споживана i корисна потужнiсть, її втрати, ККД i коефiцiент потужностi, якi визначаються за схемою замiщення, повиннi дорiвнювати реальним їх значенням у трансформаторi. Для виконання такої умови необхiдно привести параметри однієї з обмоток до другої, вважаючи, що вони повиннi мати однакову кількість виткiв. З метою проведення аналiзу роботи трансформатора необхiдно здiйснити зведення первинної обмотки до вторинної або навпаки. У випадку зведення первинної обмотки до вторинної, струм первинного кола I1 множать, а напругу i ЕРС - дiлять на коефiцiент трансформацiї К, опiр обмотки дiлять на К. (2.3)

значення, одержанi при кiнцевих положеннях регулюючих пристроїв i умовному робочому навантаженнi;

- час повторного запалювання дуги.

мiж струмом i напругою джерела з’являється зсування фаз j. Маючи значний реактивний опір котушка iндуктивностi забезпечує отримання спадної вольт-

2. Отже, рiвняння зведення буде мати такий вигляд:

2 2

U 1¢  U1 / K  U20 , I1¢  I1 × K  I2  Iд , , X1¢  X1 / K , R¢  1 R1 / K

Cхема замiщення являє собою послiдовно-паралельне з’єднання активних i

індуктивних опорiв. На вхiд схеми подається зведена напруга U1, а знiмається U2,

27

що дорівнює U 20. Схему замiщення можна спростити i подати у виглядi послiдовного з’єднання активних i iндуктивних опорiв (рис. 3.3). Залежнiсть напруги дуги UД вiд струму навантаження IД у векторнiй формi буде мати вигляд:

& U

Д

 & U  & U -& I j È

Д Ж Р 20 Д

Х

'

1

 X

2

 X

P

R '

1

 R

2

 R

P

˘ ,

Î ˚

де - напруга джерела живлення, яка складається з напруги трансформатора i

дросельної катушки;

' '

X1 , R1 - зведені iндуктивний i активний опори, Ом;

X2, XР - iндуктивні опори вторинної i реактивної (дросельної) котушок, Ом;

R2, RР - активні опори вторинної i реактивної (дросельної) котушок, Ом.

- a -

- б -

Рис.3.3. Спрощена схема заміщення трансформатора (а) і його векторна діаграма (б)

Позначимо X

 X ¢  X

T 1 2

, а R  R¢  R ,

T 1 2

де ХТ, RТ - відповідно сумарний iндуктивний i активний опiр трансформатора.

Тодi рiвняння зовнiшньої характеристики трансформатора набуде вигляду:

& U  U &  & U

Д ДЖР 20

-& I j Î  Х  X

Д Т P

   R  R  ˚ , (3.4)

Т P

28

& U

Д

 & U  & U -& I × Z ,

ДЖР 20 Д e

де Zе - це повний еквiвалентний опiр схеми замiщення трансформатора i зварювального кола.

Зварювальний трасформатор живить дугу, тому IД=I2 i Uд=Uджр .Зовнiшня характеристика буде спадною за рахунок падiння напруги в опорах трансформатора i зварювального кола . Еквiвалентний опiр Zе в основному визначається iндуктивними опорами ХР i ХТ. У зварювальних трасформаторах з розвиненим розсiянням ХТ великий. Тому в них вiдсутня реактивна (дросельна) котушка, а ХР i

2 2 2 2 2

UД  UДЖР  U20 - Iд X т  X р - I д т R  Rр

Величини RТ i RР у трансформаторах незначнi i для спрощення подальших

розрахункiв ними можна знехтувати. Тодi

U

Д

2 2

 U  U -I

ДЖР 20 д

X  X (3.5)

т р

З рiвняння (3.5) можна визначити струм навантаження IД:

U

І Д 

X

2 2

-U

20 Д

(3.6)

 X

T P

У режимi короткого замикання, коли UД=0, а зварювальний струм дорiвнює

струму короткого замикання, тобто IД=IК, рiвняння (3.5) i (3.6) набудуть такого

вигляду:

U 20  I к (

І К 

X т  X р ).

U 20

X  X

T P

(3.7)

Струм короткого замикання IК залежить вiд величини напруги неробочого ходу U20 та iндуктивних опорiв трансформатора. Способи регулювання напруги i струму навантаження випливають з рiвнянь (3.5), (3.6) i (3.7).

Настроювання режиму за струмом можна здiйснювати шляхом змiни U20, ХT i

ХP=0. Векторнi дiаграми для цих випадкiв поданi на рис. 3.3. Рiвняння (2.4) можна виразити в аналiтичнiй формi:

2

. Змiнювати U2029

зниженням напруги неробочого ходу, що може негативно вiдобразитися на

збудженнi i стiйкостi зварювальної дуги. При бiльших значеннях струму U20 може бути високою i недопустимою за умовами охорони праці. Крiм цього, регулювання U20 змiною числа виткiв обмоток не можна проводити пiд навантаженням. Плавне регулювання режимiв зварювання проводиться шляхом змiни ХТ i ХР, причому в трансформаторах з нормальним розсiянням - за рахунок змiни ХР у дросельнiй котушцi, а в трансформаторах з пiдвищенним магнiтним розсiянням - за рахунок зміни ХТ. Такими способами регулюють струм при ручному дуговому зварюваннi, а при автоматичному - регуляторами напруги дуги. При автоматичному зварюваннi на автоматах з незалежною швидкiстю подачi електродного дроту розглянутi методи регулювання застосовуються для настроювання напруги. З рiвняння (3.5) видно, що при заданiй величинi струму IД змiна U20, ХТ або ХР викличе змiну напруги UД.

30

ЛЕКЦІЯ 4

4.1. Зварювальнi трансформатори з нормальним магнiтним розсiянням

Трансформатори цiєї групи в теперiшнiй час не випускаються, однак значна кiлькiсть їх ще знаходиться в експлуатацiї. Найбiльш поширеним є трансформатор із вбудованою реактивною (дросельною ) котушкою на загальному магнiтному осердi. Спрощену принципову електричну схему його подано на рис.4.1. Магнiтна система складається з двох зв’язаних загальним середнiм ярмом осердь - основного i допомiжного.

Рис.4.1. Електромагнітна схема трансформатора з нормальним розсіянням із

вбудованою реактивною котушкою

На основному осердi розмiщенi первинна-1 i вторинна-2 обмотки, а на додатковому з рухомим пакетом-3 - реактивна котушка-4, що послiдовно

31

з’єднана з вторинною обмоткою трансформатора. Кількість виткiв вторинної обмотки значно менша, ніж у первинній, тобто трансформатор знижує напругу мережi до рівня необхiдного при зварюваннi. Магнiтний зв’язок мiж первинною i вторинною обмотками максимальний, тобто коефiцiент магнiтного зв’язку Кm близький до одиницi. Для зменшення розсiяння котушки вторинної обмотки розташовують концентрично поверх котушок первинної обмотки. Магнiтний зв’язок мiж обмотками трансформатора i реактивною обмотокою значно слабший, оскільки остання розташована на додатковому осердi.

Трансформатори з окремою реактивною обмоткою мають двокорпусне виконання: власне трансформатор з магнiтопроводом стрижневого типу-1 i реактивна обмотка - дросель-4, мiж яким iснує тiльки електричний зв’язок (рис.2.6). На кожному стрижнi розташована котушка первинної обмотки-2, а поверх її котушка вторинної обмотки- 3 , вiдповiдно iндуктивний опiр трансформатора невеликий, i його зовнiшнi характеристики жорсткi. Дросельна обмотка має великий iндуктивний опiр, що сприяє отриманню спадної зовнiшньої характеристики на зварювальному посту. Так само як i в трансформаторах із вбудованою реактивною обмоткою на загальному магнiтному осердi, в дроселi трансформатора двокорпусного виконання є рухомий пакет-5, який за допомогою приводу-6 може перемiщуватись i змiнювати повiтряний зазор «d». Зi зміною величини «d» в магнiтному колi вiдбувається змiна його iндуктивного опору i, отже, зварювального струму. Недолiком трансформаторiв з дроселями, якi мають рухомі магнiтнi пакети, є велика їх вібрацiя при роботi в режимi навантаження. Це порушує стабiльнiсть режиму зварювання i робить трансформатори ненадiйними в експлуатацiї. У трансформаторах з окремою реактивною котушкою замiсть дросельної обмотки можна застосовувати дросель насичення (ДН). Вiн не має рухомих частин, бiльш надiйний в роботi i довговiчніший, може мати дистанцiйне керування. Крiм того, дросель насичення забезпечує велику швидкiсть наростання струму на початку кожного перiоду, що сприяє покращенню стiйкостi процесу зварювання. До недолiкiв дроселя можна вiднести велику вагу активних матерiалiв i значнi втрати електроенергiї.

Дросель насичення має двi силовi котушки змiнного струму-1, увімкнених послiдовно з вторинною обмоткою трансформатора, i одну обмотку керування ОК-2, яка живиться постiйним струмом (рис.4.3).

32

Рис.4.2. Електромагнітна схема трансформпатора з нормальним розсіянням з

окремою реактивною котушкою (дроселем)

Рис.4.3. Електромагнітна схема однофазного дроселя насичення

33

Iндуктивний опiр ДН, і вiдповiдно, зварювальний струм можна грубо регулювати змiною числа виткiв силової обмотки i плавно - за рахунок змiни струму намагнiчування в обмотцi керування. Робота дроселя насичення основана на збiльшеннi магнiтного опору Rm в умовах насичення i перенасичення залiза осердя дроселя. Котушки робочих обмоток змiнного струму включенi так, шоб магнiтнi потоки, якi створюються цими обмотками у середньому стрижнi магнiтопроводу, компенсувалися . Завдяки такому увімкненню, результуюча ЕРС в обмотцi керування ОК, яка розміщена на середньому стрижнi, рiвна 0. При подачi постiйного струму на ОК створюється додаткове магнiтне поле, яке збiльшує iндукцiю i насичення осердя ДН. Це призводить до зменшення магнiтної проникностi залiза магнiтопроводу, збiльшенню магнiтного опору i зменшенню iндуктивного опору ХДН дроселя . Ранiше протягом тривалого часу випускалися трансформатори типу СТЕ-34, якi в комплектi з дросельною котушкою застосовувались для ручного дугового зварювання, а в комплектi з дроселем насичення входили до складу пристроїв типу УДАР, призначених для аргоно-дугового зварювання неплавким електродом алюмiнiю i легких сплавiв.

4.2. Робота трансформатора

Аналiз роботи трансформатора з нормальним магнiтним розсiянням у рiзних режимах проведемо на прикладi трансформатора із вбудованоюю (сумiщеною) реактивною котушкою на загальному магнiтному осерді.

Неробочий хiд

На рис.4.4. приведено розподiл магнiтних потокiв по магнiтопроводу при роботi трансформатора в даному режимi.

Потiк Ф01, який створюється намагнiчувальною силою первинної обмотки, замикається в основному через середнє ярмо у виглядi потоку Ф i частково через верхнє ярмо у виглядi Ф. Потiк Ф01 взаємодiє з витками первинної W1 i вторинної W2 обмоток, наводить в них ЕРС Е1 i Е20. ЕРС Е1 виражається рiвнянням (4.1) i зрiвноважується прикладеною напругою мережi U1.

Е1=4,44fW1Ф01=U1. (4.1)

E20=4,44fW2Ф01

У свою чергу магнiтний потiк Ф у витках реактивної котушки WР наводить ЕРС ЕР0, яка виражається наступним рiвнянням:

34

EР0 = 4,44fWРФ або

ЕР0=4,44fWРФ01Кm1-Р, (4.2)

де Кm1-Р - коефiцiент магнiтного зв’язку первинної обмотки з реактивною,

який визначається за наступною залежнiстю:

К m 1 -Р 

Ф 0 В

,

Ф 0

(4.3)

Рис.4.4. Схема розподілу магнітних потоків в магнітопроводі трансформатора

в режимі неробочого ходу

ЕРС реактивної котушки в залежностi вiд способу увімкнення її з вторинною обмоткою може складатися з Е20 чи вiднiматись від неї, тобто:

Е220±ЕРО=U20,

або Е2=4,44fФ01(W2±WРКm1-Р). (4.4)

Якщо подiлити вирази (4.1) на (4.4), можна одержати залежнiсть (4.5), тобто:

U  U

20 1

W  W K

2 P m 1 -P

W 1

(4.5)

Напруга неробочого ходу трансформатора залежить вiд способу увімкнення вторинної i реактивної обмоток («-» - зустрiчне,«+» - узгоджене), а також вiд величини коефiцiенту магнiтного зв’язку. Найменше значення U20 може бути досягнене при зустрiчному ввімкненні W2 i WР i при максимальному повiтряному зазорi у верхньому ярмі магнiтопроводу.

35

Навантаження

Розподiл магнiтних потокiв при навантаженнi приведено на рис.4.5. У режимi навантаження намагнiчувальні сили первинної i вторинної обмоток утворюють у трансформаторi сумарний потiк Фт, який дорiвнює:

& Ф

& Ф

& Ф

Т 1 2 .

Рис.4.5. Схема розподілу магнітних потоків в магнітопроводі трансформатора в режимі навантаження при узгодженому (а) і зустрічному увімкненні вторинної і

реактивної котушок

Основна частина потоку ФТ замикається через середнє ярмо магнiтопроводу, i тiльки невелика його частина вiдводиться у верхнє ярмо. Намагнiчувальна сила реактивної котушки створює магнiтний потiк ФР, бiльша частина якого замикається також через середнє ярмо. Незначна частина у виглядi потоку ФРН вiдхиляється в нижнє ярмо.

Сумарний магнiтний потiк у нижньому ярмi дорiвнює:

& F &  F  F & &  F

&  F &  F або & F &  F

 F & (4.6)

Н 1 2 рн Т рн , Н Т р K mР-Т ,

де КmР-Т - коефiцiент магнiтного зв’язку реактивної котушки з трансформатором.

Km Р-Т 

F рн

F р

При узгодженому увімкненні обмоток W2 i WР потоки Ф2 i ФРН знаходяться в

36

фазi i направленi зустрiчно потоку Ф1 (рис. 4.5 а). У цьому випадку ФРН послаблює

Ф1 i при незмiннiй напрузi U1 & F

Н

ª F & ª F & ª const

т 01

з мережi споживається велика

потужнiсть порiвняно із зустрiчним увімкненням W2 i WР (рис.4.5 б). Увімкнення

обмоток вiдбувається виходячи з умов зварювання. Застосування узгодженого увімкнення доцiльне при зварюваннi на малих струмах, коли спостерiгається недостатня стiйкiсть горiння дуги. При зварюваннi на великих струмах краще застосовувати зустрiчне увімкнення обмоток, оскільки знижуються масо-габаритнi показники трансформатора за рахунок зменшення перетину середнього ярма.

Потiк трансформатора ФТ наводить у витках обмотки W1 ЕРС Е1, яка урiвноважується прикладеною напругою U1.

Е1=4,44fW1ФТ=U1. (4.7)

У витках вторинної обмотки W2 потік ФТ наводить основну ЕРС Е20, яка

дорiвнює:

Е20 = 4,44fW2ФТ.

Сумарний магнiтний потiк у верхньому ярмі:

& F  F &  F &  F &  F &  F &

(4.8)

 F &  F & , (4.9)

В 1В 2В Р ТВ Р Р Т mТ-РK

де КmТ-Р - коефiцiент магнiтного зв’язку трансформатора з реактивною котушкою

у верхньому ярмi.

К 

m Т- Р

Ф ТВ

Ф Т

Потiк ФР наводить у витках обмотки WР реактивну ЕРС, потiк ФТВ у витках WР

- основну ЕРС ЕР0.

ЕР можна за рахунок змiни кількості виткiв первинної або вторинної обмоток трансформатора. Але зменшення струму навантаження супроводжується

= 4,44fWРФРЕР0.

= 4,44fWРФТВ = 4,44fWРФТКmТ-РТодi сумарна основна ЕРС трансформатора буде рiвна:

& Е  & Е  & Е  U &

(4.10) (4.11)

2ОСН 20 Р0 20 .

При навантаженнi Е2ОСН зрівноважується падiнням напруги на дузi UД i в

обмотцi реактивної котушки ЕР, яка в свою чергу рівна ІДХР тобто:

& E & U & E & U & I Х U&

2ОСН Д Р Д Д Р 20 .

Користуючись векторною дiаграмою (рис.3.3 б) i рiвняннями (3.5) i (3.6),

37

значення струму i напруги дуги можна виразити в аналiтичнiй формi:

U  U

Д

2 2 2

-І Х

20 Д Р

U

І Д 

Коротке замикання.

2 2

-U

20 Д

(4.12)

Х Р

При замиканнi електрода на виробi UДЖР=UД=0, тому струм короткого замикання IК дорiвнює:

І К 

U

.

20 .

X P

Спадна вольт-амперна характеристика в трансформаторi з нормальним розсiянням створюється за рахунок включення в коло його вторинної обмотки дросельної котушки (реактивної обмотки) з великим iндуктивним опором. Крутизна спадання ВАХ визначається також величиною ХР.

У трансформаторах з окремою реактивною обмоткою дросельна котушка має з трансформатором тiльки електричний зв’язок, i тому коефiцiент магнiтного зв’язку трансформатора з реактивною котушкою дорiвнює нулю. При аналiзi роботи такого трансформатора можуть бути використанi рiвняння роботи трансформаторiв iз вбудованою реактивною котушкою на загальному магнiтному осердi. Для цього в рiвняннях, якi характеризують режим роботи на неробочому ходi (4.2)-(4.5) i при навантаженнi (4.6)-(4.11), коефiцiенти магнiтного зв’язку Кm1-Р i КmТ-Р потрібно прирiвняти до нуля.

Регулювання режиму зварювання в трансформаторах з нормальним

розсiянням.

Для визначення величини iндуктивного опору дросельної котушки ХР розглянемо електричнi процеси, що проходять в ній при навантаженнi. При проходженнi струму IД по обмотцi дроселя в його магнiтопроводi створюється потiк ФР, рiвний:

Ф Р 

2 І W

Д P

Rm P

Магнiтний опiр RmР на шляху проходження потоку ФР складається з опору залiза

38

RmЗ i опору повiтряного зазору R. Величина R незначна у порiвняннi з R

R m Р  R m З  R m П 

де dП - величина повiтряного зазору, мм; mП - магнiтна проникнiсть повiтря;

d П

,

m S

П П

(4.13)

, i тому для спрощення виразу (4.13) приймемо її рiвною нулю, тобто:

- площа поперечного перерiзу потоку ФР у повiтряному зазорi, мм2; Магнiтний потiк ФР iндуктує в дросельнiй обмотцi ЕРС ЕР.

Е  4,44 fW Ф  4,44 fW

Р P P P

У свою чергу:

2 І W

Д P

R

m P

ЕР=IДХР.

2 2

6,28 fW w × W

P P

І  І (4.14)

Д Д

R R

m P m P

(4.15)

З порiвняння рiвнянь (4.14) i (4.15) можна знайти величину iндуктивного опору

дросельноi котушки:

Х Р 

w × W

Rm P

2

P

Основний спосiб регулювання зварювального струму - за рахунок змiни iндуктивного опору ХР шляхом регулювання величини повiтряного зазору в магнiтному колi дроселя. При збiльшеннi dП магнiтний опiр RmР зростає, iндуктивний опiр ХР спадає, а струм зварювальної дуги зростає, тобто:

d ­fi R ­fi X Øfi I ­

П mP P Д

Виходячи з аналiзу електричних процесiв, можна пояснити, що зі збільшенням величини dП магнiтний опiр RmР на шляху потоку ФР дросельної котушки збiльшується, що призводить до зменшення ФР. Проти ЕРС ЕР, що наводиться в обмотці, також зменшується i, отже, зменшуються втрати напруги в зварювальному колi. Тому напруга трансформатора UД зростає, а зварювальний струм Iд збiльшується.

d ­fi R ­fi Ф Øfi Е Øfi U ­fi I ­

П mP P Р Д Д

У трансформаторах з нормальним розсiянням також є ступiнчасте (виткове) регулювання режиму за рахунок змiни числа виткiв первинної W1 або вторинної

39

W2 обмоток. Якщо збiльшувати W2, то напруга неробочого ходу U20 зростає (4.5), а струм навантаження IД, виходячи з (4.12), також зростає. При збiльшеннi W1 величина IД, вiдповiдно, спадає. Ступiнчасте регулювання зварювального струму приводить до змiни U20. Оскiльки дiапазон регулювання напруги неробочого ходу обмежений, виткове регулювання режимiв зварювання застосовується рiдко. Ще рiдше використовується виткове регулювання в дросельнiй котушцi.

Найбiльш поширеними трансформаторами були трансформатори із вбудованою дросельною котушкою на загальному магнiтному осерді в однокорпусному виконаннi типу СТН-500, СТН-700 призначенi для ручного дугового зварювання i рiзання, а також ТСД-1000, ТСД-2000 - для автоматичного зварювання пiд флюсом. Трансформатори типу ТСД мали механiзований привiд рухомого пакету i дистанцiйне керування.

40

ЛЕКЦІЯ 5

5.1. Зварювальнi трансформатори з пiдвищеним магнiтним розсiянням.

Робота трансформатора в усталених режимах

Неробочий хiд

У режимi неробочого ходу зварювальний струм IД=0. При проходженнi струму I1 по первиннiй обмотцi з числом виткiв W1 створюються намагнiчувальні сили I1W1, якi i формують магнiтний потiк Ф01. Основна частина його замикається по магнiтопроводу, взаємодiючи з обмотками первинної W1 i вторинної W2 котушок (рис.5.1).

Рис.5.1. Схема розподілу магнітних потоків в магнітопроводі трансформатора в

режимі неробочого ходу

Незначна частина потоку Ф01 замикається по повiтрю, створюючи потiк розсiяння Ф01Р. Магнiтний потiк Ф01 у витках первинної обмотки наводить ЕРС Е1, яка зрiвноважується прикладеною напругою U1:

Е1=4,44fW1Ф01=U1. (5.1)

Частина потоку Ф01 у верхнiй частинi магнiтопроводу у виглядi потоку Ф01В у витках вторинної обмотки наводить ЕРС Е20, яка дорiвнює напрузi неробочого ходу:

Е20=4,44fW2Ф01В=U20. (5.2)

Потiк Ф01В можна виразити через коефiцiент магнiтного зв’язку первинної обмотки з вторинною Кm1-2,

41

K m 1- 2 

& F 01B

& F 01

, тоді & F 01В &  F 01 K m 1- 2

Величина ЕРС Е20 з урахуванням коефiцiенту магнiтного зв’язку становитиме:

Е20=4,44fW2Ф01Кm1-2=U20.

З рiвнянь (5.2) i (5.2) якi визначають значення Е1 i Е2 можна одержати величину напруги неробочого ходу трансформатора.

U  U

20 1

W 2

K

W 1

m 1- 2

Навантаження

При навантаженнi струм протiкає по первиннiй i вториннiй обмоткам, створюючи в них намагнiчувальні сили, якi, в свою чергу, наводять в магнiтопроводi основнi потоки Ф1 i Ф2. Частина цих потокiв розсiюється, утворюючи потоки Ф i Ф (рис.5.2).

Для зручностi аналiзу роботи трансформатора в режимi навантаження розглянемо сумарну дiю магнiтних потокiв спочатку у нижнiй, а потiм у верхнiй частинi магнiтопроводу.

У нижнiй «Н» частинi створюється сумарний магнiтний потiк ФН:

& F &  F &  F (5.3)

Н 1 2Н

Рис.5.2. Схема розподілу магнітних потоків в магнітопроводі трансформатора в

режимі навантаження

42

При незмiннiй первиннiй напрузi U1 потiк ФН залишається практично постiйним, оскільки будь яка змiна Ф веде за собою змiну Ф1, пропорцiйну коефiцiенту трансформацiї. Будь-яка зміна ФН приводить до зниження чи збільшення струму в первинній обмотці. Завдяки цьому ФН відновлюється. Отже, за своїм значенням потiк ФН приблизно дорiвнює магнiтному потоку неробочого ходу Ф01, тобто:

FН ª F01 ª const

ЕРС, яка наводиться потоком ФН у первиннiй обмотцi трансформатора, дорiвнює:

E1=4,44fW1ФН.

У верхнiй частинi магнiтопроводу - «В» утворюється сумарний магнiтний потiк

ФВ& F  F & &  F &  F

 F & Km (5.4)

В 2 1В 2 1 1- 2

де Кm1-2 - коефiцiент магнiтного зв’язку первинної обмотки зi вторинною, який

знаходиться з виразу:

Km 1- 2 

З рiвняння (5.3) знайдемо Ф1:

& F  F & - F &

F 1B

F 2

&  F & - F Km

1 Н 2Н Н 2 2- 1

де Кm2-1 - коефiцiент магнiтного зв’язку вторинної обмотки з первинною, який

знаходиться з виразу:

Km 2- 1 

F 2н

F 2

Пiдставивши значення Ф1 у рiвняння (5.4) одержимо:

F& &  F ( & F - F& K )K

В 2 Н 2 m2- 1 m1- 2

Величина Кm1-2 i Кm2-1 вiдрiзняються не суттєво одна вiд одної, i тому будемо

вважати їх рiвними Кm. Тодi:

& F &  F &  F K & - F

K 2  F & (1 -K 2 )

&  F × K (5.5)

В 2 Н m 2 m 2 m н m

Fн × Km  F01B

43

2

Величина 1 - Km  s - коефiцiент розсiяння. Тодi рiвняння (5.5) набуде вигляду:

& Ф & Ф s  & Ф

В 2 01В

Позначимо Ф2×s=ФР , де ФР - сумарний магнiтний потiк розсiяння в

трансформаторi. Тоді

& F

В

 F &  F &

Р 01В

Потiк Ф01В наводить у вториннiй обмотцi трансформатора основну ЕРС Е2ОСН:

Е2ОСН=4,44fW2Ф01В = U20.

Потiк розсiяння ФР наводить у вториннiй обмотцi реактивну ЕРС Е:

Е=4,44fWРФР.

При навантаженнi ЕРС трансформатора Е2ОСН зрiвноважується падiнням напруги на дузi i реактивною ЕРС, тобто:

& Е & U & E & U I& Х , оскільки Е І Х ,

2OCH Д 2Р Д Д Т 2Р Д Т

де ХТ - iндуктивний опiр трансформатора.

Визначимо значення напруги і струму в аналiтичнiй формi:

2 2 2

U  U - І Х

Д 20 Д Т

2 2

U

І Д 

-U

20 Д

(5.6)

Х Т

Коротке замикання

При роботi в режимi короткого замикання UД=0. Тодi вираз (5.6) набуде вигляду:

I K 

U

:

20 .

X T

Трансформатори з пiдвищеним магнiтним розсiянням мають спадну зовнiшню характеристику, крутизна якої визначається величиною ХТ. Змiною ХТ можна проводити i плавне регулювання зварювального струму.

Трансформатор з пiдвищеним магнiтним розсiянням з рухомими котушками показано на рис.5.3.

44

Рис.5.3. Конструкція трансформатора з рухомими котушками

Магнiтопровiд трансформатора стрижневого типу-1, на якому розташовані первинна-2 i вторинна-3 обмотки, рознесенi одна вiдносно одної на визначену вiдстань. При проходженнi струму по обмоткам створюються магнiтнi потоки, основна частина яких замикається по магнiтопроводу, створюючи потiк трансформатора ФТ. Друга частина магнiтних потокiв замикається по повiтрю, створюючи потоки розсiяння первинної Ф i вторинної Ф обмоток.

Потоки розсiяння наводять у трансформаторi реактивну ЕРС, яка i визначає його iндуктивний опiр ХТ. Вiдстань мiж котушками обмоток «а » може змінюватися, вiдповiдно змінюються величина ХТ i зварювальний струм. Це плавне регулювання режиму зварювання. Рухома обмотка (в одних випадках первинна, в інших - вторинна) перемiщується за допомогою приводу перемiщення обмоток - ходового гвинта-4. Ступiнчасте регулювання струму виконується змiною з’єднання котушок кожної обмотки мiж собою з послiдовного на паралельне та навпаки.

45

5.2. Регулювання режиму зварювання в трансформаторi з рухомими

котушками

Плавне регулювання режимiв зварювання здiйснюється за рахунок змiни величини iндуктивного опору ХТ і пов’язане з перемiщенням рухомої котушки. При зменшеннi вiдстанi мiж обмотками «а» площа перетину S силових лiнiй потоків розсiяння зменшується, тому магнiтнi опори Rm, Rm, а також коефiцiент магнiтного зв’язку Кm мiж обмотками зростає. Все це призводить до зменшення ХТ i зростання струму навантаження I2.

'' a '' Øfi S Øfi Rm ­ Km ­fi X T Øfi I2 ­ .

Можна дати також i фiзичне обгрунтування цього способу регулювання. Iз зменшенням вiдстанi «а» потоки розсiяння Ф i Ф , а також s знижуються, величина результуючого потоку ФS2, який пронизує вторинну обмотку, зростає, отже, напруга U2 i зварювальний струм I2 збiльшуються.

"a " Øfi Ф , Ф Øfi

s Øfi K ­fi U ­fi I ­

1P 2Р m 2 2

де s - коефіціент розсіяння, що визначається потоками розсіяння.

Для розширення дiапазону регулювання режимiв зварювання застосовують ще i ступiнчасте (грубе) регулювання, при якому змiнюють з’єднання котушок первинної, а також вторинної обмоток. Варiанти з’єднання котушок наведено на рис.5.4.

Рис.5.4. Схеми перемикання котушок при ступінчастому регулюванні

зварювального струму

46

I варіант - у трансформаторi використовується одна котушка первинної i одна вторинної обмотки. Тодi напруга неробочого ходу U20 становитиме:

W2

Iндуктивний опiр

U 20 1  U 1

X т  X1 ¢  X 2 .

W

K m

1

ІI варіант - двi котушки первинної i двi котушки вторинної обмотки з’єднанi

послiдовно. Тодi:

2W2

U 202  U 1

2 W

Km  U 201

1

Iндуктивний опiр XT окремих котушок при цьому додається, тому опiр

трансформатора X T2 2 × X ¢ 1 2 × X 2 2 × X T1 - бiльший в два рази порiвняно із

першим випадком, а струм навантаження, вiдповiдно, нижче.

III варіант- котушки первинної і вторинної обмоток з’єднанi паралельно:

W2

U 203  U 1

W

Km  U 201

1

Iндуктивний опiр X Т3 

варiантом.

X 1 ¢  X 2

2

X Т1

 , у два рази нижчий порівняно із першим

2

Значення ХТ3 знаходять із суми провідності обмоток:

1 1

X ¢

1

X

2

Зварювальний струм при паралельному з’єднаннi котушок значно вищий, нiж при послiдовному включеннi, причому кратнiсть ступiнчастого регулювання струму I2МАХ/I2MINТ2Т3=4. Цiнним є те, що при такому регулюваннi струму напруга U201 залишається постiйною, в той час як при паралельному з’єднаннi вторинних котушок i послiдовному первинних U201=U01/2, а при паралельному з’єднаннi первинних котушок i послiдовному вторинних U20 висока i складає U20=2U201. При кратностi ступiчастого регулювання струму 4, перекриття двох дiапазонiв регулювання можливе, якщо плавна змiна струму має кратнiсть, також рiвну 4. У

47

цьому випадку досягається дуже висока кратнiсть, що дорiвнює 16, у чому немає необходностi. У той же час висока кратнiсть плавного регулювання призводить до значного збiльшення вiдстанi мiж котушками i масо-габаритних показникiв магнiтопроводу. Тому при переходi до дiапазону малих струмiв необхiдно одночасно з перемиканням котушок на послiдовне з’єднання зменшувати число виткiв первинної обмотки. В цьому випадку буде дещо збiльшуватись напруга неробочого ходу U20, що позитивно відбивається на стійкості горіння дуги при малих струмах. Кратність ступінчатого регулювання при цьому знижується з 4 до 2,5. Комбiноване регулювання струму за рахунок перемiщення i перемикання котушок може забезпечити кратнiсть регулювання вiд 6 до 10.

5.3. Конструкцiя зварювальних трансформаторiв з рухомими котушками

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.

Рис.5.5. Конструкція трансформатора з рухомими котушками

48

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.

Зовнiшнi характеристики крутоспадні з кратнiстю струму короткого замикання приблизно 1,3 вiд величини струму при номiнальнiй робочiй напрузi (рис.5.6). Трансформатор може працювати i в паралельному режимi з іншими ЗТ. Для цього на них повиннi бути встановленi в однакове положення перемикачi дiапазонiв струму i значення струмiв за шкалою. На рис.5.7 подано принципову електричну схему трансформатора.

49

Рис.5.6. Зовнішні характеристики трансформатора ТДМ-401 У2

На кожному стрижнi ЗТ розташованi по однiй котушцi первинної обмотки з числом витків W1. За допомогою перемикача SA можна виконувати послiдовне або паралельне увімкнення котушок як первинної, так i вторинної обмоток. Паралельне увімкнення вiдповiдає дiапазону великих струмiв, послiдовне - малих. При цьому частина виткiв первинної обмотки вимикається i напруга неробочого ходу пiдвищується, що позитивно впливає на стiйкість процесу зварювання при малих струмах.

Подiбну конструкцiю мають i трансформатори типу ТДМ-317У2, серiї ТДМ-503. Рiзницею між ТДМ-503-1У2 i ТДМ-503-3У2 є те, що вони спорядженi пристроєм зниження напруги неробочого ходу, а ТДМ-503-2У2 - ще i конденсатором для пiдвищення потужностi.

Переноснi трансформатори типу ТДМ-165У2 i ТДМ-254У2 призначенi для роботи

50

в монтажних умовах, тому i мають малi масо-габаритнi показники. Дiапазон малих струмiв отримують при використаннi однієї котушки вторинної обмотки, дiапазон великих струмiв - при паралельному з’єднаннi вторинних котушок.

Рис. 5.7. Принципова електрична схема трансформатора ТДМ-401 У2

До недолiкiв трансформаторiв з рухомими котушками можна вiднести сильну вiбрацiю рухомих частин (обойми з обмотками, гвинтовий привiд), що значно зменшує строк їх служби. Крiм того, механiчне регулювання не забезпечує програмне керування режимiв зварювання, неможлива стабiлiзацiя за струмом або напругою. Однак, не звертаючи уваги на цi недолiки, ЗТ з рухомими котушками одержали широке поширення при ручному дуговому зварюваннi через малу витрату активних матерiалiв, високі технологiчні властивості, простоту виготовлення та експлуатацiї.

51

5.4. Зварювальнi трансформатори з рухомими магнiтними шунтами

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 i Ф. 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 (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 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.

Плавне регулювання струму в трансформаторi виконується за рахунок перемiщення магнiтного шунта вручну або сервоприводом. При виведеннi шунта з вiкна магнiтопроводу, тобто зi збiльшенням «d» (рис.5.9 а), магнiтнi потоки розсiяння Ф i Ф значною мірою замикаються по повiтрю i, вiдповiдно, зменшуються. Це призводить до збiльшення магнiтного опору шунта RmШ, результуючого потоку ФS, напруги U2, зменшенню iндуктивного опору ХТ i, отже, до зростання зварювального струму I2.

52

d ­fi F, FØfi R mШ ­fi FS2 ­fi U2 ­fi X T Øfi I2 ­ .

Плавне регулювання забезпечує кратнiсть струму рiвну 4. Залежнiсть ХТ вiд положення шунта подано на рис.5.9 б.

Рис.5.8. Конструкція трансформаторів з рухомими магнітними шунтами

53

Рис.5.9. Залежність зміни індуктивного опору трансформатора від переміщення

шунта

Швидкiсть зниження iндуктивного опору при виведеннi шунта на початку постiйна, а потiм, при виходi шунта за межi вiкна магнiтопроводу, рiзко зменшується, далi ХТ змінюється незначно. При виходi з вiкна осердя шунт зазнає максимального осьового електромагнiтного зусилля, яке затягує його назад у вiкно i викликає сильну вiбрацiю. Вiбрацiя зменшується, якщо застосувати направляючi, по яким перемiщується шунт, або пружини, які вiдтискають його вiд однієї сторони магнiтопроводу. Вiбрацiя також значно зменшується, якщо шунт буде складатись з двох однакових частин (половинок), якi при регулюваннi режиму перемiщуються з вiкна в протилежнi сторони. У цьому випадку осьовi зусилля, якi дiють на шунти, направленi зустрiчно.

У промисловостi використовуються трансформатори з шунтами типу СТШ250, СТШ-252, СТШ-500, СТШ-500-80, ТРАНС-3 “СЕЛМА”, ТДМ-200 “СЕЛМА” якi призначенi в основному для ручного дугового зварювання покритими електродами. Трансформатор СТШ-500-80 має пристрій, який вимикає його вiд мережi пiд час перерви в роботi.

54

ЛЕКЦІЯ 6

6.1. 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.

Рис. 6.1. Функціональна схема трансформатора з підмагнічувальним шунтом

Конструкцiю i розташування обмоток трансформатора з пiдмагнiчувальним шунтом подано на рис.6.2.

55

Рис.6.2. Конструкція трансформатора з підмагнічувальним шунтом

Магнiтна система трансформатора складається з двох магнiтопроводiв стрижневого типу, один з яких - магнiтний шунт-1 - розташований у вiкнi осердя- 3 перпендикулярно до його бокових стрижнів i дiлить вiкно на двi частини. Мiж стрижнями-3 i шунтом є повiтрянi зазори «d» що не регулюються. Силовi обмотки трансформатора розташованi симетрично на обох стрижнях магнiтопроводу i частково рознесенi. Вторинна обмотка складається з основної котушки з числом виткiв W20 (котушки-4, 5) i додаткової обмотки з числом виткiв W (котушки 2). Основна котушка розташована по один бік шунта, додаткова - по другий, поряд із первинною обмоткою з числом виткiв W1 (котушки 6). Котушки первинної обмотки на стрижнях з’єднанi мiж собою паралельно. На кожному стрижнi котушки вторинних обмоток з’єднанi мiж собою послiдовно-паралельно. Основний магнiтний потiк ФТ, який створюється первинними i вторинними обмотками, замикається по залiзу осердя. Крiм ФТ у магнiтнiй системi утворюються потоки розсiяння Ф i Ф.

Обмотка керування WК-8 секцiонована i складається з чотирьох котушок, увімкнених зустрiчно-послiдовно вiдносно ЕРС, яка наводиться в них потоком шунта ФШ (рис.6.3).

56

Рис.6.3. Конструкція підмагнічувального шунта

Магнiтний потiк ФК, який створюється намагнiчувальними силами обмоток керування при живленнi їх постiйним струмом, замикається в осердi шунта, не проходячи через повiтрянi зазори «d». Таким чином, змiнюючи величину струму

в обмотцi керування, можна змiнювати магнiтний опiр R залiза осердя шунта, що приводить до змiни магнiтних потокiв розсіяння Ф, Ф, iндуктивного опору

трансформатора ХТ i зварювального струму I2. Це основний спосiб настроювання режиму, тобто плавне регулювання струму.

Величина ХТ аналогiчна ХТ у трансформаторах з рухомими обмотками. Принцип роботи нерухомого магнiтного шунта подiбний до принципу роботи однофазного дроселя насичення (рис. 4.3).

Ступiнчасте регулювання струму здiйснюється у два ступеня i забезпечується перемиканням виткiв вторинної обмотки IIа, IIб i IIв (котушки 2,4,5 (рис.6.4)). Для ступенiв великих i малих струмiв величину зварювального струму обираємо, виходячи з спiввiдношення:

I 2аб 

2 2

U 20 -U Д

X ¢ 1  X 2a  X 2б

2 2

U 20 -U Д

, I 2бв 

X ¢ 1  X 2б  X 2в

57

Рис. 6.4. Електромагнітна схема трансформатора з підмагнічувальним шунтом

Напруга неробочого ходу трансформатора U20 при переключеннi котушок майже не змiнюється, проте суттєво вiдрiзняються їх iндуктивнi опори. Оскільки частина вторинної обмотки IIа розташована поряд з первинною обмоткою I, то її опiр Х невеликий i значно менший від Х2в, тобто в першому випадку величина I2аб буде вища, нiж мiж клемами «бв». Це i буде ступенем великих струмiв.

Для забезпечення зручностi регулювання зварювального струму i стабiлiзацiї встановленого режиму застосовується тиристорний регулятор струму VS. З його допомогою, за рахунок зворотних зв’язкiв за напругою живлення мережi i за змiною опору обмотки магнiтного шунта можна стабiлiзувати встановленi режими i забезпечувати регулювання струму керування i струму навантаження, витрачаючи незначну потужнiсть на керування. Це значною мірою покращує зварювальнi та експлуатацiйнi властивостi трансформаторiв i пiдвищує їх технiко-економiчнi показники. У промисловостi працює велика кiлькiсть трансформаторiв типу ТДФ- 1001 i ТДФ-1601, призначених для автоматичного зварювання пiд флюсом i

58

розрахованих на тривалий режим роботи при ТУ%=100%. Електромагнiтну схему ТДФ-1001 подано на рис.6.4. Ступiнь малих струмiв розрахована на 400-700 А, великих - 700-1200 А. Трансформатор ТДФ-1601 має 8 котушок вторинної обмотки (у порiвняннi з 6 в ТДФ-1001). Котушки первинної обмотки розташованi бiля нижнього ярма осердя поблизу з чотирма додатковими котушками вторинної обмотки. Ступiнь малих струмiв у ТДФ-1601 складає 600-1100 А, великих - 1100- 1800 А.

Обмотка керування живиться вiд одноконтактного тиристорного випрямляча. Регулюючи кут вiдкриття тиристора, можна плавно змiнювати величину струму в обмотцi керування магнiтного шунта в необхiдних межах, здiйснюючи цим самим регулювання i стабiлiзацiю зварювального режиму при коливаннях напруги мережi, здiйснювати як мiсцеве, так i дистанцiйне керування режиму трансформатора. При цьому плавне регулювання зварювального стуму можна одержати з кратнiстю близькою 2. Для отримання вiдпираючого iмпульсу i його фазорегулювання призначена схема на транзисторному логiчному елементi, що виконує функцiю електронного реле.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]