Назад: 2.6.1. Сварочные трансформаторы с нормальным рассеянием

2.6.2. Трансформаторы с увеличенным магнитным рассеянием

Электрическая схема трансформатора с подвижными обмотками. Трансформатор (рис.2.8) имеет стержневой магнитопровод 1, подвижные первичные 2 и неподвижные вторичные 3 обмотки, а также привод 4 перемещения обмоток. Распространена также конструкция с подвижными вторичными и неподвижными первичными обмотками. При значительном расстоянии между первичной и вторичной обмотками велики потоки рассеяния и индуктивное сопротивление трансформатора, что приводит к изменению тока. Ступенчатое регулирование тока выполняется изменением соединения катушек каждой обмотки между собой.

Рис. 2.8. Конструкция трансформатора с подвижными обмотками

Электрические процессы трансформатора при анализе его режимов работы рационально рассматривать в одинаковой последовательности, облегчающей понимание и запоминание: U₁ ® I ® Ф ® E ® U₂, кроме того, конструкцию трансформатора удобно несколько упростить, оставив по одной катушке первичной и вторичной обмоток (рис.2.9).

Рис. 2.9. К анализу работы трансформатора в режиме: а - холостого хода; б - нагрузки

Анализ режимов работы трансформатор с подвижными обмотками.

Режим холостого хода. При подаче напряжения U₁ на первичную обмотку с числом витков w₁ в ней появляется ток холостого хода I₀, создающий намагничивающую силу I₀w₁, рис.2.9,а. Возникающий при этом магнитный поток холостого хода Ф₀, зависит от намагничивающей силы и магнитного сопротивления на его пути R_m. Основная часть магнитного потока Ф₀ замыкается по магнитопроводу, меньшая часть Ф_0р, охватывающая первичную обмотку и замыкающаяся по воздуху, является потоком рассеяния.

Магнитная связь первичной обмотки со вторичной осуществляется только за счет основной части потока Ф₀. Коэффициент магнитной связи К_м показывает, какая часть потока холостого хода, создаваемая первичной обмоткой, пронизывает вторичную (К_м < 1).

ℓ_в

В первичной обмотке основная часть потока Ф₀ наводит основную ЭДС рассеяния Е_р1. Во вторичной обмотке с числом витков w₂ ЭДС Е₂ наводится только основной частью потока Ф₀. В соответствии со вторым правилом Кирхгофа баланс напряжений и ЭДС для первичной обмотки описывают (2.7) (2.8), из которых следует, что первичное напряжение U₁ уравновешивается суммой противоЭДС Е₁ и Е_р1. В отличие от трансформатора с нормальным рассеянием противоЭДС Ер₁ пренебрегать нельзя. В свою очередь, можно пренебречь падением напряжения на активном сопротивлении первичной обмотки R₁. В режиме холостого хода ток во вторичной обмотке равен нулю, и, следовательно, энергия в ней не расходуется. Напряжение U_хх, возникающее на клеммах вторичной обмотки, равно ее ЭДС Е₂.

Напряжение холостого хода (U_хх) можно изменять числом витков первичной w₁ и вторичной w₂ обмоток. В отличие от трансформатора с нормальным рассеянием трансформатор с подвижными обмотками имеет несколько меньшее U_хх, потому что коэффициент магнитной связи К_м < 1. При увеличении расстояния между обмотками ухудшается магнитная связь между ними и снижается К_м, а U_хх уменьшается на 3...6 %.

Режим нагрузки. В первичной обмотке (рис.2.9,б) потоком Ф_т наводится основная ЭДС Е₁. а потоком Ф_р1 – ЭДС рассеяния Е_р1, совпадающие по фазе. Во вторичной обмотке потоком Ф_т наводится ЭДС Е₂, а потоком Ф_р2 – ЭДС рассеяния Е_р2, направленные встречно из-за встречного направления потоков Ф_т и Ф_р2. ЭДС рассеяния Е_р1 и Е_р2 пропорциональны соответствующим токам I₁ и I₂, поэтому эти ЭДС удобно представлять как падения напряжения на индуктивных сопротивлениях первичной Х₁ и вторичной Х₂ обмоток.

Анализ режима работы трансформатора целесообразно выполнять с помощью эквивалентной схемы замещения (принцип которого описан в разделе 2.3, рис.2.3 и рис.2.4). Допустим, что К_м »1, тогда » U₀.

Из баланса напряжений для упрощенной эквивалентной схемы по второму правилу Кирхгофа:

,

после преобразования получают

U₂ = U₀ – I₂ [j(+X₂) +(+R₂)].

Пренебрегая активным сопротивлением обмоток и R₂ и считая, что сумма индуктивных сопротивлений обмоток и X₂ является общим индуктивным сопротивлением трансформатора Х_т, получают уравнение внешней характеристики трансформатора с подвижными обмотками:

U₂ = U₀ – I₂ X_т. (2.27)

Графическое изображение этого уравнения дано на рис.2.10. Чем больше Х_т, тем больше возрастает крутизна характеристики у трансформаторов с подвижными обмотками при увеличении I₂, а напряжение на выходных клеммах трансформатора U₂ (и на дуге U_д) снижается.

Рис. 2.10. Внешняя характеристика трансформатора с подвижными обмотками

Уравнение (2.27) дает формальное объяснение способа получения падающей внешней характеристики трансформатора. Рассмотрим электрические процессы в трансформаторе по схеме I ® Ф ® Е ® U. При увеличении тока вторичной обмотки I₂ одновременно увеличивается ток в первичной обмотке I₁ и наводимые ими потоки Ф_р1 и Ф_р2. Результирующий поток Ф_å2, пронизывающий вторичную обмотку, снижается, поэтому уменьшаются наводимая этим потоком ЭДС (Е₂ +Е_Р2) и напряжение U₂ на вторичной обмотке трансформатора. Таким образом, падающая внешняя характеристика у трансформаторов с подвижными обмотками получается за счет магнитного рассеяния, вызванного размещением первичной и вторичной обмоток на значительном расстоянии одна от другой.

Режим короткого замыкания можно рассматривать как частный случай режима нагрузки. При коротком замыкании вторичной обмотки напряжение U₂ снижается до 0, и в соответствии с (2.27) ток короткого замыкания:

I_к = U₀/X_т. (2.28)

Настройка режима в трансформаторе с подвижными обмотками. Основной способ настройки режима, связанный с изменением индуктивного сопротивления Х_т, заключается в перемещении подвижной обмотки трансформатора. При сближении обмоток уменьшаются зазор ℓ_в и площадь сечения S_р2, по которой замыкается поток Ф_р2. Причем уменьшение S_р2 происходит быстрее уменьшения ℓ_р2. Поэтому с уменьшением ℓ_в увеличивается магнитное сопротивление потокам рассеяния R_mр2 и соответственно сопротивление R_m в целом. При уменьшении зазора между обмотками ℓ_в потоки рассеяния Ф_р1 и Ф_р2 снижаются, что приводит к уменьшению ЭДС самоиндукции Е_р1 и Е_р2, наводимой этими потокам, и следовательно, – к снижению индуктивного сопротивления. В результате ток нагрузки I₂ увеличивается.

Физическое пояснение данного способа настройки следующее. При уменьшении зазора между обмотками ℓ_в потоки рассеяния снижаются, что приводит к увеличению результирующего потока Ф_å2, пронизывающего вторичную обмотку, а следовательно, к увеличению наводимой во вторичной обмотке ЭДС вторичного напряжения U₂. В результате ток нагрузки I₂ увеличивается.

При перемещении обмоток обеспечивается плавная настройка тока. В реальных конструкциях кратность изменения тока ограничивают от двух до четырех. С целью получения большей кратности приходится существенно увеличивать максимальный зазор между обмотками, габариты трансформатора и расход железа. Поэтому плавное изменение тока дополняют ступенчатым.

При ступенчатой настройке тока изменяют соединение катушек как первичной, так и вторичной обмоток. В реальном трансформаторе (см. рис.2.8) первичная и вторичная обмотки имеют по две катушки. Возможны три варианта соединения катушек (рис.2.11).

Рис.2.11. Схемы переключения катушек для ступенчатого изменения сварочного тока

В варианте (рис. 2.11,а) используется одна первичная и одна вторичная катушки, расположенные на одном стержне. Напряжение холостого хода в этом случае U₀ = U₁К_мw₂/w₁, а индуктивное сопротивление трансформатора Х_т = + Х₂.

В варианте (рис. 2.11,б) катушки первичной обмотки соединены последовательно, аналогично соединены катушки вторичной обмотки. Напряжение холостого хода для этого случая U_хх = U₁К_м2w₂/2w₁ и равно напряжению предыдущего случая. Индуктивные сопротивления отдельных катушек при этом суммируются, а общее сопротивление трансформатора увеличивается вдвое [Х_т=2 +2Х₂=2(+Х₂)] по сравнению с первым вариантом, а ток соответственно ниже.

С целью обеспечения надежного зажигания дуги при сварке в диапазоне малых токов одновременно с переключением катушек на последовательное уменьшают число витков первичной обмотки. При этом снижается коэффициент трансформации, а U_хх возрастает.

На рис.2.11, в секции первичной и вторичной обмоток трансформатора соединены параллельно.

Конструкции трансформаторов с подвижными обмотками. Технические характеристики трансформаторов данного типа приведены в прил.1.

Сварочный трансформатор ТДМ-503У2 (рис.2.12) предназначен для питания одного сварочного поста ручной дуговой сварки, резки или наплавки. Этот тип трансформаторов широко выпускается отечественной промышленностью. Он имеет магнитопровод стержневого типа, первичную и вторичную обмотки, переключатель диапазона тока с рукояткой, устройство плавного изменения тока, защитный кожух и колёса для перемещения на производственной площадке.

Рис. 2.12. Принципиальная электрическая схема трансформатора

Магнитопровод собран из лакированных листов высококремнистой электротехнической стали марки 3414. Первичная и вторичная обмотки выполнены по две катушки, расположенные попарно на стержнях магнитопровода.

Неподвижные катушки первичной обмотки намотаны алюминиевым проводом марки АПСД со стеклянной изоляцией и закреплены у нижнего ярма. Подвижные катушки вторичной обмотки намотаны «на ребро» алюминиевой шиной марки АДО, изолированы стеклолентой и пропитаны лаком. Соединение катушек как первичной, так и вторичной обмоток друг с другом производят ножевым переключателем, получая два диапазона изменения тока. Сквозь верхнее ярмо магнитопровода пропущен ходовой винт устройства плавного изменения тока в каждом диапазоне (см. рис.2.8). При вращении ходового винта перемещается обойма, на которой закреплена вторичная обмотка. Для подключения питания сети и сварочного кабеля имеются штыревые разъемы. На каждом стержне магнитопровода рис. 2.12 расположены по одной катушке первичной ОП и вторичной ОВ обмоток. Первичная обмотка состоит из двух частей ОП₁ и ОП₂. С помощью переключателя S можно выполнить последовательное или параллельное соединение катушек как первичной, так и вторичной обмоток. Для снижения помех радиоприему трансформатор снабжен емкостным фильтром – конденсаторами (С₁ и С₂).

Внешняя характеристика трансформатора крутопадающая, рис.2.13. При положении переключателя S, как показано на рис. 2.12, первичные и вторичные катушки соединены параллельно, что соответствует диапазону больших токов, кривые 3, 4 (кривые 1, 2 соответствуют малым токам).

Рис.2.13. Внешние характеристики трансформатора ТДМ-503 У2

Переносные трансформаторы ТДМ-161У2 и ТДМ-254У2 предназначены для работы на монтаже, имеют малую массу и рассчитаны на работу при ПВ ═ 20...25 %. Плавная настройка режима выполняется перемещением обмоток, грубая – переключением вторичных катушек с помощью барабанного переключателя. Диапазон малых токов обеспечивается использованием одной вторичной катушки, диапазон больших токов – при параллельном соединении вторичных катушек.

Трансформатор с подвижным магнитным шунтом. Трансформатор с подвижным магнитным шунтом (рис.2.14) имеет неподвижные первичную w₁ и вторичную w₂ обмотки, стержневой магнитопровод 1 и магнитный шунт 2, состоящий из двух подвижных частей 4 и 5. Каждая обмотка имеет по две катушки, расположенных на различных стержнях. Первичная и вторичная обмотки расположены на большом расстоянии друг от друга. Между ними располагается магнитный шунт, состоящий из двух половинок, сближающихся или удаляющихся друг от друга при работе винтового привода 3. Магнитный шунт расположен на пути прохождения потока рассеяния Ф_р1 и Ф_р2. Изменяя величину воздушного зазора ℓ_в между половинками шунта, меняют величину магнитного сопротивления прохождению потокам рассеяния.

Рис. 2.14. Конструкция трансформатора с подвижным магнитным шунтом

В связи с тем, что первичная и вторичная катушки разнесены относительно друг друга, появляются значительные потоки рассеяния Ф_р1 и Ф_р2. Рассматриваемая конструкция трансформатора аналогична конструкции трансформатора с подвижными обмотками – обладает повышенным внутренним индуктивным сопротивлением. Поэтому анализ режимов работы трансформатора, в том числе с помощью эквивалентной схемы замещения (п.2.3, рис.2.4), идентичен трансформатору с подвижными обмотками.

Падающая внешняя характеристика у трансформатора с подвижным магнитным шунтом получается за счет повышенного магнитного рассеяния благодаря размещению первичной и вторичной обмоток на значительном расстоянии друг от друга. Основное отличие этого типа трансформатора заключается в способе изменения индуктивного сопротивления Х_т, которое определяется величиной потока рассеяния. Величина потоков рассеяния Ф_р1 и Ф_р2 определяется изменением магнитного сопротивления R_mL, которое зависит от величины зазора ℓ_в между половинками шунта (4 и 5). Например, при раздвижении шунта потоки рассеяния замыкаются по воздуху и, следовательно, магнитное сопротивление шунта R_mL увеличивается, а потоки рассеяния, ЭДС самоиндукции обмоток Е_р1, Е_р2 и индуктивное сопротивление уменьшаются, а ток I₂ увеличивается.

В трансформаторах с подвижным шунтом обеспечивается плавноступенчатое регулирование: за счет магнитного шунта – плавно, за счет изменения схемы соединения катушек – ступенчато (3, 4 ступени).

Серийно выпускались трансформаторы с подвижным магнитным шунтом типа СТШ-250 и СТШ-500, предназначенные для работы в монтажных условиях (прил. 1, табл.3).

Трансформаторы с подмагничиваемым шунтом (рис.2.15) имеют стержневой магнитопровод 1 и неподвижный магнитный шунт 2 стержневого типа. Магнитная проводимость шунта регулируется с помощью обмотки управления 3, питаемой постоянным током. Первичная обмотка 4 закреплена у нижнего ярма, вторичная 5 (состоит из двух частей) - у верхнего ярма магнитопровода.

Рис. 2.15. Трансформатор с подмагничиваемым шунтом

Принцип работы и формирование внешней характеристики рассматриваемого трансформатора такие же, как у трансформатора с подвижным магнитным шунтом. Отличие заключается лишь в способе изменения магнитного сопротивления шунта R_mL. С этой целью на неподвижном магнитном шунте располагают обмотку управления 3, которая запитывается от отдельного регулируемого источника постоянным током. Изменяя величину тока в обмотке управления, меняют степень магнитного насыщения шунта, а следовательно, магнитное сопротивление потоку рассеяния Ф_р1 и Ф_р2.

Изменение величины тока I_у модулирует перемещение шунта и не обеспечивает создание дополнительной ЭДС в обмотках трансформатора, а выполняет роль регулятора магнитной проницаемости шунта. Как и у трансформаторов с подвижным шунтом, у трансформатора с подвижными катушками потоки рассеяния достаточно велики, поэтому с увеличением сварочного тока вторичное напряжение уменьшается.

Падающая внешняя характеристика у трансформаторов с подмагничиваемым шунтом получается благодаря увеличенному магнитному рассеянию, вызванному наличием магнитного шунта и размещением первичной и вторичной обмоток на значительном расстоянии друг от друга.

Основной способ настройки режима заключается в изменении индуктивного сопротивления трансформатора Х_т при изменении магнитного сопротивления неподвижного шунта. Например, при увеличении тока I_у в обмотке управления увеличивается поток Ф_у, проходящий по стержню шунта. Снижается магнитная проницаемость, возрастает магнитное сопротивление шунта R_mL. Снижаются потоки рассеяния Ф_р1 и Ф_р2, замыкающиеся через шунт, и уменьшается индуктивное сопротивление Х_т, а сварочный ток I₂ увеличивается.

Трансформаторы с подмагничивающим шунтом типа ТДФ-1001 и ТДФ-1601, предназначенные для механизированной сварки под флюсом. Электромагнитная схема трансформатора ТДФ-1001 показана на рис.2.15. Конструкция трансформатора ТДФ-1601 отличается количеством и расположением обмоток при сохранении общей компоновки и принципа действия. Обмотка управления запитывается от тиристорного регулятора, позволяющего плавно изменять сварочный ток с кратностью около двух, стабилизировать сварочный ток при колебаниях напряжения сети. Настройка на режим осуществляется как местно, так и дистанционно, даже в режиме нагрузки.

Плавное изменение тока нагрузки осуществляется изменением тока в обмотке управления магнитного шунта, а ступенчатое обеспечивается переключением отдельных частей вторичной обмотки.

Контактор в цепи первичной обмотки позволяет включать силовые цепи трансформатора только на время сварки, что обеспечивает безопасность труда при сравнительно высоком U_xx трансформатора ТДФ-1601. Для охлаждения трансформатора используется вентилятор.

Основное преимущество трансформатора с подмагничиваемым шунтом в сравнении с ранее рассмотренным трансформатором с подвижным магнитным шунтом - отсутствие подвижных частей и, следовательно, более высокая надежность. Он обладает и всеми достоинствами электрического управления: малой инерционностью, простотой программного и дистанционного управления, стабилизацией режима (прил. 2, табл.1).

Трансформаторы с ярмовым рассеянием. В простейшем случае эти трансформаторы имеют по одной первичной 1 и вторичной 2 обмотке, расположенных на различных его стержнях (рис.2.16.). Потоки рассеянная замыкаются не только по воздуху в окне (Ф_р1 и Ф_р2), но также между верхним и нижним ярмом (Ф_ря1 и Ф_ря2).

Рис. 2.16. Схема трансформатора с ярмовым рассеиванием

В связи с тем, что первичная и вторичная обмотки разнесены относительно друг друга, это обеспечивает возникновение повышенных магнитных потоков рассеяния, а следовательно, и повышенное внутреннее индуктивное сопротивление.

Поэтому трансформатор имеет падающую внешнюю характеристику. Отличается этот трансформатор способом настройки тока. Она осуществляется изменением коэффициента трансформации и применением дополнительных реактивных обмоток, устанавливаемых на пути потоков рассеяния, в которых индуктируется ЭДС только этими потоками. Ступенчатая настройка тока осуществляется изменением числа витков первичной или вторичной обмоток, которая обеспечивает сравнительно узкий диапазон изменения тока с одновременным изменением U_xx. Для расширения пределов изменения тока используют дополнительную обмотку 3, охватывающую весь трансформатор, а для плавного изменения тока еще и сварочный кабель 4, наматываемый в одну или другую сторону поверх кожуха трансформатора.

В режиме холостого хода потоки рассеяния невелики, и ЭДС наводится только в первичной 1 и вторичной 2 обмотках (U_хх = Е₂). Дополнительная обмотка 3 и витки кабеля 4 не влияют на U_xx, так как по ним не протекает ток. В режиме нагрузки ярмовые потоки рассеяния наводят в дополнительной обмотке ЭДС Е_доп, в витках кабеля ЭДС Е_каб. Если дополнительную обмотку соединить последовательно со вторичной, то их ЭДС будут либо складываться (согласное включение обмоток), либо вычитаться (при встречном включении обмоток). Подобным же образом с ЭДС вторичной обмотки может складываться или вычитаться ЭДС сварочного кабеля:

U₂ = E₂ − E_р2 ± E_доп ± E_каб.

Уравнение внешней характеристики трансформатора в этом случае имеет вид

U₂ = U_хх − I₂(Х_т ± Х_доп ± Х_каб). (2.29)

Падающая внешняя характеристика у трансформатора с ярмовым рассеянием получается за счет увеличенного магнитного рассеяния, вызванного размещением первичной и вторичной обмоток на разных стержнях. Наклон характеристики зависит также от согласного или встречного включения дополнительной обмотки и направления намотки сварочного кабеля.

Использование дополнительной обмотки обеспечивает три ступени изменения тока: при встречном включении со вторичной обмоткой – диапазон малых токов; при отключении дополнительной обмотки – средних токов; при согласованном включении – больших токов. Плавное регулирование кабелем определяется числом витков – обычно не более 3...5. При секционировании дополнительной обмотки число ступеней увеличивается. Дополнительная обмотка может также включаться последовательно с первичной обмоткой, в этом случае при их согласном соединении вторичный ток уменьшается.

Серийно выпускаются трансформаторы типа ТСМ-250 и ТСМ-500 (прил.1). Трансформатор ТСМ-250 предназначен для использования на монтаже. Он имеет две дополнительные обмотки, последовательно соединенные со вторичной обмоткой, обеспечивающие четыре ступени изменения тока. Плавное изменение тока осуществляется навивкой кабеля на кожух трансформатора четырех витков.

Дополнительная обмотка может устанавливаться на пути потоков рассеяния в окно магнитопровода или наматываться на магнитный шунт, может включаться последовательно с первичной обмоткой, в этом случае при их согласном соединении ток уменьшается. По такой схеме изготовляется бытовой трансформатор ТСБ-101 на три ступени регулирования. Большой серией выпускаются трансформаторы «Разряд» и ТДК-315, состоящие из трансформатора с ярмовым рассеянием и импульсного стабилизатора дуги переменного тока на 100 Гц. Трансформатор имеет дополнительную обмотку из трёх секций. Переключатель диапазонов обеспечивает сначала согласное, а затем встречное включение дополнительной обмотки с первичной. Это обеспечивает получения семи ступеней настройки тока. Плавное изменение тока выполняется намоткой до пяти витков сварочного кабеля.

Далее: 2.6.3. Тиристорные трансформаторы