Источники ПИТАНИЯ СВАРОЧНОЙ ДУГИ. ПЕРЕМЕННЫМ ТОКОМ
§ 1. Общие сведения
В настоящей главе рассматриваются однопостовые источники питания, относящиеся по классификации к группе О и представляющие собой различной конструкции трансформаторы с падающими внейншми характеристиками.
Существует два принципиально отличных пути создания таких источников. Первый — на основе трансформатора с жесткой внешней характеристикой. Падающая характеристика источника обеспечивается в этом случае дополнительным включением в цепь дуги катушки с ферромагнитным сердечником—дросселя (т. е. большого индуктивного сопротивления). Представитель — источник (сварочный трансформатор) типа СТЭ, предназначенный для ручной сварки плавящимся электродом.
Второй — на основе трансформатора с падающей внешней характеристикой, которая обеспечивается созданием различными способами усиленных магнитных полей рассеяния (т. е. большего индуктивного сопротивления! самого трансформатора. Представи тели — сварочные трансформаторы типа ТД для ручной сварки резки и наплавки плавящимся электродом; стабилизированные сварочные трансформаторы типа ТДФ для механизированной сваркг под флюсом.
Кроме перечисленных трансформаторов выпускались также сварочные трансформаторы типа СТН для ручной сварки и типа ТСД для механизированной сварки под флюсом. Эта группа трансформаторов являлась по свойствам смешанной, так как сочетала как свойства трансформатора типа СТЭ, так и частично свойства трансформатора типа ТДФ.
§ 2. Источник питания типа СТЭ
Источник состоит из двух узлов: трансформатора с жесткой
внешней характеристикой U2=f(I2) и дросселя L с ферромагнитным сердечником.
На рис. 2.1, а приведена функциональная блок-схема, на рис. 2.1, б конструкция дросселя, а на 2.1, в — принципиальная электрическая схема источника.
Рис. 2.1. Источник питания типа СТЭ: а— функциональная блок-схема [t/2= *=f{h) — внешняя характеристика трансформатора; U=f(l2) — внешняя характеристика источника]; б — конструкция дросселя (Фь — основной магнитный поток дросселя); в — принципиальная электрическая схеуа
щийся с помощью рукоятки Р, набран из листов электротехнической стали.
Дроссель формирует падающие внешние характеристики источника U2=f(I2) (рис. 2.2). С помощью дросселя производится настройка режима, т. е. он является одновременно и регулятором сварочного тока. Наличие значительной индуктивности в сварочном контуре обусловливает сдвиг кривой тока i2 в сторону отставания от вторичного синусоидального напряжения и2, чем создаются условия для устойчивого горения дуги переменного тока. Используя принципиальную электрическую схему источника и пренебрегая магнитными полями рассеяния дросселя, замыкающимися че-
рез неферромагнитные среды (воздух, изоляционные материалы, медь обмотки), составим уравнение по второму закону Кирхгофа:
EL=Ui2RL-U2, (2.1)
где Ёс= —jRxL = —jl22nfL — действующее комплексное значение э. д.с. дросселя; RL— резистивное сопротивление обмотки дросселя. Из формулы (2.1) при Rl^Xl получаем
І2=-2—(2.2)
iXL
При коротком замыкании, когда 17=0, из (2.2)
/2к= ' > ичи 12к=^-. (2.3)
JXL XL
Зависимость сварочного тока 12 от величины регулируемого воздушного зазора 1В (регулировочная характеристика) приведена на рис. 2.3. Существенным недостатком дросселя с регулируемым воздушным зазором является вибрация подвижного пакета вследствие возникновения силы FJ (рис. 2.4), которая стремится свести
Рис. 2.4. Схема действия
сил, вызывающих вибра-
ции подвижного пакета
сердечника дросселя
ж нулю установленный зазор /в, оторвав подвижный пакет ПП от неподвижной части сердечника с нерегулируемым зазором Д. Силе Fi противодействует сила F2, притягивающая Г1П к неподвижной части сердечника, а также сила Гц, создаваемая прижимным устройством. Величины сил F и F2 пропорциональны квадрату индукции магнитного поля дросселя, которое изменяется во времени с 'частотой напряжения сети 50 Гц. При недостаточной жесткости крепления вибрации подвижного пакета сердечника, происходящие с - частотой 100 Гц, вызывают изменение установленного зазора 1В, а следовательно, и режима-сварки. Особенно сильно сказывается изменение зазора /в при его малой величине, когда амплитуда колебаний вибраций соизмерима с ним. Это влияет на устойчивость
|
|
но, что у' силового трансформатора обмотки предельно сближены, вследствие' чего потоки рассеяния минимальны и внешняя характеристика практически жесткая; у трансформатора же типа ТД •обмотки разнесены, рассеяние принудительно резко увеличено и внешняя характеристика падающая.
Основные уравнения. Для облегчения понимания электромагнитных процессов, происходящих в трансформаторе с усилен-
чными магнитными полями рассеяния, на электрической схеме рис. 2.7 все витки wx первичной обмотки и все витки иу2 вторичной доказаны расположенными на одном стержне. Сварочная дуга замещена регулируемым линейным резистором Ra. Для анализа происходящих явлений необходимо составить три уравнения: для первичной и вторичной цепей трансформатора и магнитодвижущих сил на основе закона полного тока. Для составления уравнений необходимо выбрать условные положительные направления напряжений, токов, э. д.с. и силовых линий магнитных полей. Положительные направления величин, как известно, выбираются произвольно в зависимости от принятой при анализе процессов методики. В данной книге принята традиционная методика [3], при которой условные положительные направления напряжений, токов и э. д.с. в обмотках трансформатора выбраны совпадающими; условное положительное
направление вторичного напряжения совпадает с условньш положительным направлением вторичного тока. Условное положительное направление магнитного потока в магнитопроводе трансформатора связано с положительными направлениями токов в обмотках трансформатора правилом правого винта.
Если при невключенном выключателе S2 включить выключатель Si И ЭТИМ подвести К первичной обмотке переменное напряжение и 1, ТО в первичной обмотке пойдет ТОК l'i и м. д.с. первичной обмотки, равная Wii, создаст переменное магнитное поле. Преобладающая часть силовых линий магнитного поля сосредоточена в ферромагнитном сердечнике, обладающем малым магнитным сопротивлением по сравнению с окружающей немагнитной средой. Силовые линии переменного магнитного поля, замыкающиеся по сердечнику и сцепленные со всеми витками обеих обмоток, называют основным магнитным потоком трансформатора Ф, который, изменяясь во времени, индуктирует в обмотках э. д.с.:
В = — ‘WidФ/dt е2 = — w26. Ф/cU. (2.4)
Коэффициент трансформации трансформатора к, равный wjw2r может быть записан через отношение э. д.с. обмоток: к=еi/e2.
В режиме холостого хода (S2 не включен, ток i2=0) в первичной обмотке индуктируется э. д.с. самоиндукции в, а во вторичной — э. д.с. взаимоиндукции е2. М. д.с. первичной обмотки кроме основного потока создает еще магнитное поле рассеяния, силовые линии которого замыкаются через неферромагнитные среды. К этим средам относят воздух, материал обмоток (медь, алюминий), все изоляционные материалы. Магнитное сопротивление неферромагнитных сред в десятки тысяч раз больше магнитного сопротивления ферромагнитного сердечника. Магнитный поток рассеяния, созданный м. д.с. первичной обмотки в режиме холостого хода, изменяясь во времени, индуктирует в обмотках трансформатора э. д.с. рассеяния, действием которых в режиме холостого хода можно пренебречь, так как они пренебрежимо малы по сравнению с е и е2.
Если включить S2, то под действием э. д.с. е2 в сварочном контуре возникает ток i2, м. д.с. вторичной обмотки i2w2 создает переменное магнитное поле. Преобладающая часть силовых линий магнитного поля вторичной обмотки замыкается по сердечнику трансформатора. Остальные силовые линии замыкаются через неферромагнитные среды и представляют собой поток рассеяния. При протекании токов по обеим обмоткам трансформатора основной поток создается результирующей м. д.с. обеих обмоток. При принятых нами условных положительных направлениях электрических и магнитных величин результирующая м. д.с. равна
*®рез=hwi + (2.5)
Как известно из электротехники, если э. д.с. возникает при возрастании основного потока, когда <1ФУс№>0, то м. д.с. вторичной обмотки создает в сердечнике поток, препятствующий возрастанию основного, а если при убывании с1Ф(/)/сЕ<0, то создаваемый поток
ел = - d^ci/d t; еа2= - d W*/d t, (2.6) |
|
|
/
всегда больше потокосцепления взаимоиндукции. На рйс. 2.8,6 показана картина магнитного поля, созданного м. д. с. І2&2 вторичной обмотки. Магнитное поле, создаваемое первичной обмоткой, не показано. Здесь Ф2 — магнитный поток в сердечнике/Д'сгг— потоко - сцепление самоиндукции, Ч'оіг — потокосцепление, взаимоиндукции. Основной поток Ф, как уже указывалось, создается результирующей м. д. с. обеих обмоток.
Картина магнитных полей трансформатора, созданных основным потоком Ф и потокосцеплениями взаимоиндукции, показана на рис. 2.8, в.
Результирующие потокосцепления рассеяния связаны с мгновенными значениями токов в обмотках известными зависимостями:
Woi — Laii^, 4r02 = Z, o2f2l (2.7)
где Lai и La2 — индуктивности рассеяния обмоток.
Из (2.7) определяются индуктивности рассеяния обмоток:
Lal=Wal/ill Ай = ЧГс2Д'2- (2.8)
При сделанных допущениях индуктивности рассеяния Lc 1 и Lo2 являются постоянными величинами, не зависящими от значения нагрузки, т. е. при изменении і? д остаются теми же при фиксированном расстоянии Ь. Как известно из электротехники, действие э. д.с. рассеяния учитывается в расчетах и при анализе процессов в трансформаторе с синусоидальными входными напряжениями как индуктивное сопротивление обмоток трансформатора, обусловленное явлением магнитного рассеяния. Чем больше величины индуктивностей рассеяния Lai и La2, тем больше при тех же величинах токов и частоты индуктивные сопротивления обмоток:
—^'‘Lai: Х‘2—oZ.(,2, (2.9)
где со = 2л/ — угловая частота синусоидального входного напряжения трансформатора.
Для расчета величин La 1 и L(& необходимо располагать картиной пространственного распределения магнитных полей рассеяния. Вывод формул имеется в специальной литературе, посвященной расчету сварочных, трансформаторов. Для вывода формул, по которым можно найти величины La и La2 трансформатора, реальную картину магнитного поля упрощают, делая ряд допущений. Так, например, пренебрегают магнитным сопротивлением путей силовых линий полей рассеяния в стали и учитывают только магнитное сопротивление путей силовых линий в пространстве между обмотками и в самих обмотках, считая, что на остальных участках неферромагнитных сред силовые линии полей рассеяния могут свободно расширяться (см. выше). Указанные допущения таковы, что вносимые ими расхождения вычисленных величин с найденными опытным путем находятся в пределах, допускаемых для инженерных расчетов.
Магнитное рассеяние влияет на свойства трансформатора как в установившемся, так и в переходных режимах. В установившемся
режиме величины индуктивных сопротивлений обмоток определяют форму внешней характеристики трансформатора t/2—/(^2), а в переходных режимах — поля рассеяния сказываются на величине мгновенного тора короткого замыкания и на скорости его возрастания. Следует иметь в виду, что силовые линии изменяющегося во времени поля рассеяния идут по пути наименьшего магнитного сопротивления и частично замыкаются через имеющиеся вблизи стальные части конструкции, например близко расположенные стенки стального кожуха трансформатора, стяжные болты и др. В стали изменяющиеся во времени поля рассеяния индуктируют вихревые токи, вызывающие нагрев и снижающие к. п.д. трансформатора. Если в трансформаторе устанавливают магнитные шунты на пути силовых линий полей рассеяния, то индуктированные в шунтах вихревые токи также вызывают нагрев, из-за чего снижается величина к. п.д. трансформатора.
Уравнения первичной и вторичной цепей. Для анализа работы трансформатора с усиленными магнитными полями рассеяния, вывода уравнения внешней характеристики и рассмотрения процесса регулирования сварочного тока необходимо располагать уравнениями цепей обмоток, магнитодвижущих сил и токов трансформатора. Вначале запишем эти уравнения через мгновенные значения величин, а затем — в комплексной форме. Уравнения цепей обмоток составляются по второму правилу Кирхгофа. Учитывая вьібранньїе условные положительные направления электрических величин и обходя (см. рис. 2.7) контуры по условным положительным направлениям токов, получаем для первичной цепи
Mj= —Є-—бої + iR = —6j-j - ііц (2.10)
где Un=—ea—Loidii/dt; «лі = і'іі? і.
Для идеализированного трансформатора [3] в пределах нагрузки, не превышающей номинальную, из (2.10) получим
«,= —ех или и^ = —е1. (2.11)
Для такого трансформатора при синусоидальном входном напряжении «1 = Uim sin at на основании (2.4) и (2.11) можно найти закон изменения во времени основного магнитного потока Ф:
где К — постоянная интегрирования (равная нулю, если отсутствует подмагничивание сердечника дополнительной обмоткой,’ обтекаемой постоянным током).
Входное напряжение щ в принципе может изменяться во времени по любому закону. Если щ синусоидально, то из (2.12) получим
Ф= — Фт Cos Ы = Фт sin (ші—л/2). (2.13)
из (2.19). Форма кривой тока io зависит от свойств ферромагнитного материала сердечника, т. е. от формы петли гистерезиса.
В обычных силовых трансформаторах средней мощности с жесткими внешними характеристиками ток i0 при номинальной нагрузке составляет несколько процентов от номинального. Если током ц» пренебречь, то коэффициент трансформации можно приближенно вычислить через отношение токов:
к=wjw2=ег/е2=i2Jh
На основании проведенного анализа можно сделать вывод, что в случае синусоидального первичного напряжения у трансформатора с усиленными магнитны - І, j ми полями рассеяния не
^ 0 —*- -*— только основной магнитный
поток Ф, но и индуцированные им э. д.с. и токи в обмотках несинусоидальны.
В литературе при исследовании процессов в трансформаторах применяют комплексные числа и строят векторные диаграммы, что возможно лишь при замене несинусоидальных электрических величин эквивалентными синусоидальными с равными действующими значениями [3]. На рис. 2.10 приведена электрическая схема цепей трансформатора с усиленными магнитными полями рассеяния. На схему нанесены условные положительные направления электрических величин, записанных в комплексной форме. Дуга заменена резистивным линейным сопротивлением /?д.
Уравнение (2.10) для первичной цепи в комплексной форме записи имеет вид
fri=-fci-£.i + /itfi. (2.21)
где Ё — комплексное действующее значение э. д.с. первичной обмотки. Модуль
Ё01=—jxt, a Xi = 0)Loi — индуктивное сопротивление первичной обмотки, обусловленное полем рассеяния. Из (2.21) можно получить
^=-Д + А№ + jx і) = - Ёх + IXZ_,, (2.23)
где Z — полное кбмплексное сопротивление первичной цепи, модуль которого
z1 = Zi = yr —j— jc і. —
Уравнение (2.14) для вторичной цепи трансформатора в комплексной форме записи
E2=U&-Ea+'l2R2, (2.25)
где tfn=?C2, а Ёг—комплексное действующее значение э. д.с. вторичной обмотки. Модуль
|£2|=4,44/«,2Фт. (2.26)
Ё02——ІХ2І2У a je2=(i)L<j2 — индуктивное сопротивление вторичной обмотки, обусловленное полем рассеяния. Из (2.25) получим уравнение вторичной цепи
• Ё2=Ол +І 2(R2+ /*2)=^д + /2Z2, (2.27)
где Z2 — полное комплексное сопротивление вторичной цепи, мо
дуль которого
z2=|Z2| = 1/^+4. (2.28)
Пользуясь формулами (2.22) и (2.26), коэффициент трансформации, записывают как отношение действующих значений э. д.с. обмоток:
k=w1/w2—E1/E2. (2.29)
Из уравнения (2.27) можно получить уравнение внешней характеристики трансформатора в комплексной форме записи
йл=Ё2 - /2 (*2+у*2)=4 - / 2z2. (2.30)
Так как i?2<Cx2, то
(Уд=Ё2-]12х2. (2.31)
Схема замещения. У реального трансформатора с усиленными магнитными полями рассеяния всегда гюФха)2, ЕфЕ2 и U> >U2. Обмотки, находясь на общем сердечнике, имеют только магнитную связь. Для анализа электромагнитных процессов в трансформаторе и для расчетов электрических схем с трансформаторами магнитную связь между обмотками заменяют электрической связью, что чрезвычайно упрощает анализ процессов и расчеты схем. Реальный трансформатор заменяют схемой замещения. Из теории трансформаторов известно, что переход от магнитной связи между обмотками к электрической справедлив при любой форме кривой первичного напряжения щ, в том числе и при синусоидальной. На рис. 2.11, а изображена Т-образная схема замещения сварочного трансформатора. Дуга на схеме замещения заменена резистивным линейным сопротивлением Ёл. При использовании схемы замещения необходимо все электрические величины (напряжения, токи, э. д.с.) и параметры, относящиеся к одной из обмоток, приводить к другой по формулам приведения. В теории трансформаторов элек
трические величины и параметры вторичной обмотки и нагрузки приводят к первичной. Приведенные электрические величины и параметры записывают теми же буквами, что и для реального трансформатора и его нагрузки, но со штрихом, например ток //, напряжение на дуге tfR, сопротивления R2, Rr и т. д.
Участок схемы замещения (рис. 2.11, а) между точками т и п, где идет ток /0, называют намагничивающим контуром. Ток /0 имеет активную составляющую /0а и реактивную /ор [3]. Составляющая /оа обусловлена потерями в стали сердечника, а /0р необходима для создания основного магнитного потока трансформатора. При Rn'=oo ток /2'=0, а ток 1 является током первичной обмотки в режиме холостого хода.
Приведение заключается в том, что реальный сварочный трансформатор с коэффициентом трансформации кФ 1 заменяют приведенным трансформатором, у которого /с = 1 при w2'=W, где w2— число витков вторичной обмотки приведенного трансформатора. При приведении и выводе формул соблюдают следующие условия: м. д.с. приведенной обмотки принимают равной м. д.с. обмотки реального трансформатора; приведенный трансформатор считают эквивалентным реальному в энергетическом отношении; падения напряжений в приведенной обмотке составляют тот же процент ОТ Э. Д.С., наводимой основным магнитным потоком при номинальном токе, что и в реальном трансформаторе.
Если пренебречь током /0, то от Т-образной схемы замещения можно перейти к упрощенной, Это в принципе возможно, так как у трансформаторов с усиленными магнитными полями рассеяния ток /о в режиме холостого хода составляет не более 10% от тока при номинальной нагрузке. На рис. 2.11, б изображена упрощенная схема замещения. Как следует из этой схемы, активное сопротивление трансформатора
Як=Яі + Я;. (2.32>
Индуктивное сопротивление трансформатора
•*к = -*1-Г *2.
ZK=V /g+J& (2.34)
Величины Д„, хк и гк определяются по данным опыта короткого замыкания и поэтому называются параметрами короткого замыкания трансформатора. Опыт короткого замыкания у силовых трансформаторов с жесткой внешней характеристикой, как известно, проводится при пониженном напряжении на первичной обмотке, выбираемом так, чтобы в обмотках трансформатора протекали номинальные токи [3].
Другую упрощенную схему замещения, называемую Г-образной 13], для анализа процессов, происходящих в трансформаторе с усиленными магнитными полями рассеяния, применять не следует, так как упрощение основывается на допущении, что IZ=Q [см. формулу (2.23)], что дает значительные погрешности из-за большой величины индуктивного сопротивления Х.
Векторная диаграмма. Как известно, векторная диаграмма является наглядной иллюстрацией работы трансформатора. Строится векторная диаграмма для синусоидальных электрических величин (напряжений, токов, э. д.с.) по уравнениям цепей трансформатора, записанных в комплексной форме формулами (2.23), (2.27). Для построения диаграммы необходимо знать напряжение на дуге С/д и ток дуги /2, величины резистивных (/?i, R2), индуктивных (Х, х2) сопротивлений, коэффициент трансформации к, угол а потерь в стали сердечника, величину тока /0. Предварительно все величины, входящие в уравнение (2.27), необходимо пересчитать по формулам приведения. Пересчет необходим для того, чтобы пользоваться одним масштабом при построении векторов обеих цепей трансформатора. При значительных величинах к построение диаграммы будет затруднительным, а она сама — не наглядной. После пересчета уравнение (2.27) записываем в приведенных величинах так:
Д2=С/; + /2(^2 + у^), (2.35)
где С/д' — напряжение на дуге; x2=2nfLa2K2; /.о2 — индуктивность рассеяния вторичной обмотки, обусловленная магнитным полем рассеяния, сцепленного с витками вторичной обмотки. При построении векторной диаграммы несинусоидальный ток /0 трансформатора заменен эквивалентным синусоидальным. На диаграмме вектор тока І0 (рис. 2.12) опережает вектор амплитуды основного магнитного потока на угол а (угол потерь в стали, равный 5—8°).
Построение векторной диаграммы трансформатора начинают либо с вектора амплитуды Ф? п основного магнитного потока, располагая его по горизонтальной оси, либо с вектора Ґ7/ [4]. На рис. 2.12 построение начато с вектора Ґ7/, направленного от точки 0 верти-
кально вниз. Вектор тока дуги 12 совпадает по фазе с вектором Оп'. По уравнению (2.35) найдем вектор Ё2, что определит направление вектора Фт, который опережает вектор Ё2 на угол п/2. Вектор тока /0 (его составляющие /0а и/0р на рис. 2.12 не показаны) опережает вектор Фт на угол потерь в стали а. Для нахождения вектора
Ёі следует использовать уравнение (2.23). Из соображений большей наглядности диаграммы величины векторов падений напряжений в обмот - как трансформатора сильно увеличены.
Рассмотрим, что происходит при росте потребления мощности на дуге при неизменном напряжении. Ток 12 возрастает При U=const трансформатор станет получать из сети большую мощность за счет увеличения тока /1. Возрастает при этом падение напряжения в первичной обмотке IZ, что происходит за счет увеличения 1%, Активное падение напряжения IiRi тоже возрастает, но его величина ничтожно мала по сравнению с IXi. Вследствие постоянства Ut и возрастания I&i несколько уменьшается э. д. с. Еи что свидетельствует по соотношению (2.22) об уменьшении основного потока и его амплитуды Фт. Е2 также уменьшается, так как связана с Е соотношением (2.29), что при росте 12х2 ведет к увеличению I2z2. Напряжение UR с ростом тока 12 уменьшается. Внешняя характеристика становится падающей (рис. 2.13, а). При замыкании вторичной цепи сварочного трансформатора накоротко (Дд=0) ток /2 достигает наибольшего значения, равного /ж - В этом случае отношение /жДгн—1,24-1,3 при U2= 30 В; у силовых транс-
а) ' 5)
U2X. x£2x. i
UiffiJOB
о
форматоров с жесткой внешней характеристикой (рис. 2.13, б) /,*! и 12хг сведены к минимуму; с ростом /2 в пределах, не превышающих, номинальную нагрузку, э. д. с. Е2 и Ех остаются практически постоянными; при коротком замыкании вторичной цепи такого трансформатора отношение 12к/12н~ 12-.-20.
Коэффициент мощности и к. п. д. Большие индуктивные сопротивления обмоток трансформаторов с усиленными магнитными полями рассеяния приводят к большим индуктивным падениям напряжения, низкому коэффициенту мощности и большому потреблению реактивной мощности из сети.
Действительно, если вернуться к векторной диаграмме (см. рис. 2.12),
ТО МОЖНО видеть, ЧТО угол ф! велик, cos фі мал (практически при нагрузках, близких к номинальным, соэф^
~ 0,5-^0,55, а при холостом ходе cos фі=а0,1-^0,12) и Qi — UJisin фі значительна при большом sin фі*
Для увеличения cos фі и компенсации реактивной мощности параллельно первичной обмотке в некоторых типах трансформаторов включают емкости в тарей, обеспечивающих совфі^ОД На рис. 2.14 приведена зависимость соьфі от коэффициента нагрузки |3:
Р = Л/Лн~/2//2н - (2-36)
При проектировании сварочных трансформаторов стремятся получить максимальное значение к. п.д. для всего диапазона рабочих нагрузок. К-П. д. сварочного трансформатора
г) = Яд/Я11 (2.37)
где Рд — мощность сварочной дуги, a Pi — Uih cos фі =Si cos фі — активная мощность, потребляемая трансформатором из сети. Произведение действующих значений первичного напряжения и первичного тока называют полной первичной мощностью трансформатора и обозначают буквой Si. Полная мощность измеряется в киловольт - амперах. Из выражения (2.37) следует, что
Яд=т]Я1=т] cos <fiS1 = cSi. (2.38)
Коэффициент с=г) cos фі называют коэффициентом использования полной мощности сварочного трансформатора. При соБфі^ОДб коэффициент с невысок (0,3—0,5). Улучшить с можно, повышая cos фі (см. выше).
Выражение для к. п.д. (2.37) можно написать иначе, если подставить вместо Рд и Pi их значения. Мощность сварочной дуги равна
Яя=і/д/&, (2,39)
где 6д=0,85-^0,95 учитывает снижение активной мощности дуги из-за искажения форм кривых тока и напряжения на дуге по сравнению с синусоидой. Коэффициент бд тем меньше, чем сильнее искажение. Активная мощность, потребляемая из сети,
Px=UxIx с05ф1=Яд + ДЯобм + ДРс+ДЛюб. (2-40>
где ДРобм=Л2#1+/22^2 — потери на нагрев обмоток; ДРС — потери на нагрев стали сердечника трансформатора от вихревых токов и от перемагничивания; ДРДОб — добавочные потери на нагрев кожуха и других конструктивных элементов трансформатора из-за вихревых токов, индуктируемых усиленными полями рассеяния. Эти потери составляют около 3% от Рд. С учетом сказанного выражение (2.37) примет вид
^ _ Р’д/гйд
Uj/j cos
На рис. 2.15 приведена зависимость к. п.д. от коэффициента нагрузки р. Наибольшее значение ті имеет при р 0,5. При некотором дальнейшем увеличении нагрузки ті мало изменяется, а затем резко снижается.
Регулирование сварочного тока. Пользуясь упрощенной схемой замещения сварочного трансформатора (см. рис. 2.11, б), получим выражение для комплексного действующего значения приведенного сварочного тока /2', равного току t.
йх-й’
(Ri + ^2) + І (-*т + -*2) (Аі + R2) + J + x2)
где C2'—l7R'=l1Rn' — комплексное действующее значение напряжения на выходных выводах сварочного трансформатора, подводимое к разрядному промежутку.
Сумма резистивных сопротивлений обмоток (і? і+і?2/) пренебрежимо мала по сравнению с суммой индуктивных (Х1+Х2'). Следовательно, при коротком замыкании сварочного контура ток
/ 1/1
lK j (л'1 + х2)
Учитывая, ЧТО K=Wi/w2~hlIl и переходя к модулям векторов Ох и /1к, получаем
Л*= ]hWy, ч • (2.43)
W2 {хх + х2)
Из выражения (2.43) видно, что сварочный ток в трансформаторах с усиленными магнитными полями рассеяния можно регулировать за счет изменения следующих величин: подводимого к первичной обмотке напряжения Йц чисел витков обмоток; индуктивных сопротивлений обмоток.
У рассматриваемых трансформаторов регулирование сварочного тока комбинированное: ступенчатое и плавное. На рис. 2.16 приведены внешние характеристики трансформаторов типа ТД (ТД-500), представляющие режимы больших БТ и малых МТ токов, т. е. режимы, получаемые при ступенчатом регулировании (две
Рис. 2.17. Схемы переключения ка-
тушек первичной (/) и вторичной
(II) обмоток при ступенчатом ре-
гулировании сварочного тока:
а — ступень больших токов; б — сту-
пень малых токов
вичной обмотки отключается (на рис. 2.17 не показано) и напряжение холостого хода трансформатора повышается, что благоприятно сказывается на стабильности горения дуги на малых токах. При номинальном входном напряжении t/lH величина вторичного напряжения при холостом ходе £У2х. х для данной ступени регулирования зависит от расстояния b между катушками обмоток. При Ь=0 напряжение £/йх. х на 3—5% выше, чем при Ь—Ьмакс (рис. 2.18).
Для того чтобы напряжение холостого хода (приближенно U2x. x~Ui-w2lti>i) не уменьшилось, что ухудшило бы условия возбуждения дуги, в трансформаторе предусмотрено отключение части витков пер - зичной обмотки при переключении на лежим малых токов. Ступенчатое регулирование сварочного тока нельзя производить под нагрузкой, необходимо трансформатор отключать от сети, что является определенным эксплуатационным недостатком. Плавное регулирование сварочного тока в пределах установленной ступени осуществляется изменением расстояния b между катушками обмоток.
При повороте по часовой стрелке рукоятки ходового винта (см. выше) происходит сближение катушек и сварочный ток увеличивается, кри повороте рукоятки в обратную сторону — ток уменьшается (шкала сварочного тока расположена на крышке кожуха трансформатора). Точность показаний шкалы составляет 7,5% от максимального тока. На рис. 2.19 дана кривая зависимости индуктивного сопротивления хк трансформатора от расстояния b между катушками обмоток. На том же рисунке приведена регулировочная характеристика для данной ступени регулирования /2=f (Ь) при UK= =const.
Трансформаторы с подвижными катушками обмоток выпускаются в передвижном (ТД-300, ТД-500, ТД-502) и переносном {ТД-306, ТД-102) исполнениях, причем переносные предназначены для работы с более низкими значениями ПН%, т. е. для сварки короткими швами с большими паузами.
Технические данные трансформаторов типа ТД приведены в табл. 2.1.
Основными недостатками трансформаторов с подвижными катушками обмоток являются: а) трудность надежного крепления подвижных катушек, на которые действуют "значительные силы, пульсирующие с частотой 100 Гц и приводящие к преждевременному разрушению регулировочного механизма; б) необходимость перемещения катушек вдоль осей стержней трансформатора для плавного регулирования сварочного тока, что увеличивает габариты и
Тип трансформатора |
|||||
Технические данные |
тд-зоо |
ТД-500 |
ТД-502 |
ТД-102 |
ТД-306 |
Климатическое исполнение, категория размещения................ |
У2, Т2 |
У2, Т2 |
У2 |
У2 |
У2 |
Нижнее значение температуры окружающего воздуха, "С |
—40 |
—40 |
—40 |
—40 |
—40 |
Номинальный сварочный ток, А...................................................... |
315 |
500 |
500 |
160 |
250 |
Пределы регулирования сварочного тока, А............................. |
0—365 |
100—560 |
100—560 |
55—175 |
90—300 |
Режим работы, ПН% . . - Продолжительность цикла, |
60 |
60 |
60 |
20 |
30 |
сварки, мин................................... |
5 |
5 |
5 |
5 |
5 |
Номинальное рабочее напряжение, В.................................. |
32 |
40 |
40 |
26,4 |
30 |
Напряжение холостого хода, В, не более......................................... |
80 |
80 |
80 |
80 |
80 |
Номинальное напряжение питающей сети, В.............................. |
220, 380 |
220, 380 |
220, 380 |
220, 380 |
220, 380 |
Первичная мощность, кВ-А |
20,5 |
32 |
26,5 |
11,4 |
19,4 |
К. п. д., %................................... |
88 |
85 |
85 |
72 |
72 |
Габаритные размеры, мм |
620X |
570Х |
780X |
290X |
370X |
Хб92х |
Х720Х |
Х720Х |
Х435Х |
Х630Х. |
|
Х710 |
Х835 |
Х835 |
Х535 |
Х585 |
|
Масса, кг, не более.... |
140 |
210 |
240 |
38 |
71 |
массу трансформатора; в) возникновение добавочных потерь из-за полей рассеяния в кожухе и других конструктивных элементах трансформатора, что требует увеличения расстояния между обмотками и кожухом, снижает к. п.д. и ведет к увеличению габаритных размеров трансформатора.
Стабилизированные сварочные трансформаторы типа ТДФ с неподвижным магнитным шунтом. В основу конструкции трансформаторов этого типа положен стержневой трансформатор с увеличенными магнитными потоками рассеяния, которые обеспечиваются специальным размещением обмоток.
На рис. 2.20 приведены конструкция сердечника и размещение обмоток. Сердечник неподвижного магнитного шунта, предназначенного для уменьшения сопротивления магнитным потокам рассеяния, т. е. для регулирования сварочного тока (см. ниже), расположен в окне сердечника трансформатора, перпендикулярно его боковым стержням и делит окно на два —« и р. Между стержнями и шунтом имеются нерегулируемые воздушные зазоры А. На боковых стержнях расположены первичная W и вторичная w2 обмотки. Первичная расположена у нижнего ярма НЯ. Вторичная обмотка состоит из двух: основной w2р, расположенной у верхнего ярма ВЯГ и дополнительной w2а — у нижнего ярма НЯ.
Обмотки w2a и Ш2р включены последовательно и согласно, следовательно,
е2 — е2а~~е2$-
Эта суммарная э. д.с. определяет величину сварочного тока. Кроме основного магнитного потока Ф в магнитной системе имеется поток рассеяния Ф0, замыкающийся через нерегулируемые
воздушные зазоры А и сердечник шунта. Магнитный поток Фш, создаваемый м-Д. с. wmIy обмотки шунта при питании ее током /у, замыкается в сердечнике шунта, не проходя через зазоры А (см. рис. 2.20). Таким
Рис. 2.21. Внешние характеристики трансформатора типа ТДФ для режимов больших (БТ) и малых (МТ) токов |
образом, изменяя величину тока /у, можно менять магнитное состояние сердечника шунта, что в конечном счете дает возможность изменять Фо, ф, Э. д.с. <?2 и сварочный ток.
На рис. 2.21 приведены внешние характеристики трансформатора.
Трансформаторы имеют ступенчатое регулирование сварочного тока 12, которое осуществляется в две ступени переключением витков вторичной обмотки. При переходе со ступени малых токов МТ
На ступень больших токов БТ часть витков обмотки ш2р отключается и подключается часть витков обмотки w2a - При таком переклю - кении уменьшаются индуктивные сопротивления обмоток и сварочный ток увеличивается. Плавное регулирование тока в пределах Каждой ступени осуществляется изменением тока /у. Регулировочная характеристика /2=/(/у) для одной ступени регулирования при [7д=const приведена на рис. 2.22.
Описанный трансформатор имеет ряд недостатков: так как ток /у достаточно велик, то источник питания обмотки •jom должен иметь большую мощность при плавном регулировании
Т — стержневой трансформатор с неподвижным магиитиым шунтом; РТ — регулятор тока; ТРТ — тиристорный регулятор тока; СФУ — блок системы фазового управлення; блок управления; ВА —
блок вспомогательной и защитной аппа-
ратуры
ыходного тока. Это чрезвычайно усложняет дистанционное управ - ение при эксплуатации, увеличивает габариты шунта и трансфор- атора в целом. У трансформатора при этом оказываются очень ИЗКИМИ коэффициенты усиления ПО току (&j = /2//y^75) и по мощ - ости (кр=Рд/Ру^50)',
отсутствует стабилизация режима от изменений величины наряжения сети;
отсутствует стабилизация режима от изменений величины вязанных с нагревом обмотки а>ш при работе.
В реальных трансформаторах для обеспечения удобства дистанционного регулирования /у и стабилизации установленного режима зводится специальный регулятор тока. Функциональная блок-схема стабилизированного трансформатора приведена на рис. 2.23. Введение в схему регулятора тока, охваченного обратными связями по
напряжению сети и по изменению сопротивления обмотки wm, позволяет стабилизировать устанавливаемые режимы и обеспечивать дистанционное регулирование /у (и, следовательно /2), затрачивая незначительную мощность на управление. Это улучшает эксплуатационные свойства трансформатора и повышает его технико-экономические показатели (&i«2000; kpt&lOOO).
Величины номинального вторичного напряжения {У2н в зависимости от величины сварочного тока /2 определяются по следующим эмпирическим формулам: U2s=20+0,04 /2 при /2<600 А; {У2н= =50+0,00625/2 при /2>600 А.
Трансформаторы типа ТДФ промышленностью выпускаются в двух исполнениях (ТДФ-1001 и ТДФ-1601), рассчитанных на продолжительный режим работы при принудительном воздушном охлаждении.
Технические данные трансформаторов представлены в табл. 2.2.
Таблица 2.2
|
Трансформаторы типа СТН[5]. Трансформаторы этого типа, также как и трансформаторы типа ТСД *, относятся, как указывалось выше, к источникам питания с подвижными частями сердечников и будут рассматриваться совместно.
Сердечники трансформаторов и расположение обмоток представлены на рис. 2.24, а (СТН) и б (ТСД). Оба сердечника имеют боковые стержни, нижние НЯ и средние СЯ ярма. Сердечник СТН имеет также верхнее ярмо ВЯ и подвижный пакет /7/7, между которыми имеется регулируемый воздушный зазор 1Ь сердечник ТСД имеет только подвижный пакет ПП, который отделен от боковых стержней регулируемыми воздушными зазорами 1ь12--1ь/2.
У обоих типов трансформаторов первичные W и вторичные w2 обмотки расположены на боковых стержнях в виде коаксиальных цилиндрических катушек. Оба типа трансформаторов имеют так называемую реактивную обмотку wь, расположенную, как показано на рис. 2.24, а, б, и включенную последовательно и встречно СО вторичной Ї02-
Основной магнитный поток Фь создаваемый м. д.с. IW, замыкается в основном через СЯ, и лишь незначительная его часть замыкается через ВЯ и ПП. Магнитный поток Фг, создаваемый м. д.с. /2ш2, замыкается так же, как поток Фь Магнитный поток Фі от м. д.с. 1<$Юъ замыкается в основном через СЯ и регулируемый воздушный зазор 1ь-
Рис. 2.24. Конструкции сердечников и расположение обмоток трансформаторов: в —СТН; б—тсд |
Регулирование тока /2 осуществляется плавным изменением величины 1ь, т. е. изменением магнитного потока Фь и, следовательно, магнитного состояния СЯ. Регулировочные характеристики приведены на рис. 2.25. Для обеспечения регулирования должны быть выполнены следующие условия: 1) в любой момент времени С Я не должно насыщаться; 2) воздушный зазор 1ь должен находиться внутри катушки обмотки wL, что расширяет диапазон регулирования; 3) величина 1ь должна быть наименьшей, что необходимо для регулирования, так как чем больше 1Ь, тем сильнее оказывается явление выпучивания силовых линий магнитного поля в зазоре, что при больших зазорах может привести к нарушению линейности зависимости h=f(lb) и снижению эффективности регулирования. Для выполнения первого условия обмотка Доь, как сказано выше, включается встречно обмотке w2, при этом поток Фь в СЯ всегда
направлен встречно суммарному потоку Фі+Ф2 и СЯ не насыщается. Второе условие выполняется расположением катушек, как показано на рис. 2.24, а, б. Третье условие выполнено в трансформаторах типа ТСД, в которых зазор заменен двумя последовательными (см. выше) одновременно регулируемыми зазорами 1Ь/2.
Трансформаторам типа СТН свойственны те же эксплуатационные недостатки, что и источникам питания типа СТЭ (см. § 1 настоящей главы), так как регулирующий узел и схема воздействия сил на ПП у него такие же (см. рис. 2.1). У выпускаемого промышленностью трансформатора СТН-450 регулирование тока осуществляется рукояткой вручную.
В трансформаторах ТСД схема воздействия сил на ПП иная: отсутствуют силы, заставляющие ПП перемещаться параллельно торцам боковых стержней, на ПП действует сила тяжести, направ
Рис. 2.25. Вид регулиро-
вочных характеристик
трансформаторов СТН и
ТСД
ленная в сторону уменьшения воздушного зазора. Для предупреждения вибраций и перекосов перемещение ПП осуществляется с помощью двух синхронно вращающихся винтов.
Вторичное напряжение холостого хода трансформаторов СТН и ТСД имеет две ступени, для установления которых у СТН имеются дополнительные витки обмотки w2, а у ТСД секционирована обмотка w. К переключениям на повышенное напряжение холостого хода рекомендуется прибегать при значительных снижениях напряжения питающей сети, при больших падениях напряжения в длинных соединительных проводах и при режимах малых токов цля повышения устойчивости процесса сварки.
Вид внешних характеристик трансформаторов СТН и ТСД приведен на рис. 2.26, а их технические данные — в табл. 2.3 (трансформаторы СТН-500, СТН-700 и ТСД в настоящее время не выпускаются, но имеются в эксплуатации на ряде предприятий).
Подробно трансформаторы СТН и ТСД описаны в [10, 12].
Тип трансформатора |
||||||
Технические данные |
СТН-450 |
CTH-500 |
СТН-700 |
ТСД-500 |
ТСД-1000 |
ТСД-2000 |
Номинальный сварочный ток, А. . . |
450 |
500 |
700 |
500 |
1000 |
2000 |
Пределы регулирования сварочного тока, А................................... |
120—500 |
150—700 |
200—900 |
200—600 |
400—1200 |
800—2200 |
Режимы работы, пн%............................... |
65 |
65 |
60 |
60 |
60 |
50 |
Продолжительность цикла сварки, мии. . |
5 |
5 |
5 |
10 |
10 |
10 |
Номинальное рабочее напряжение, В . . |
30 |
30 |
30 |
40 |
42 |
42 |
Напряжение холостого хода, В. . . |
1—70, |
30 |
60 |
80 |
69—78 |
72—84 |
Номинальное напряжение питающей сети, В........................... |
11—90 220, 380 |
220, 380 |
220, 380 |
220, 380 |
220, 380 |
220, 380 |
Первичная мощ ность, кВ-А................... |
30 |
33 |
43,5 |
42 |
76 |
180 |
К. п. д, % . |
85 |
85 |
85 |
87 |
90 |
90 |
Габаритные размеры, мм...................... |
827X |
796 X |
796X |
950х |
950X |
1050Х |
Х4ЮХ |
Х4ЮХ |
Х429Х |
Х818Х |
Х818Х |
Х900Х |
|
Х835 |
Х840 |
Х840 |
ХІ250 |
ХІ215 |
хізоо |
|
Масса, кг, не более |
320 |
270 |
380 |
450 |
534 |
550 |
ГЛАВА 3 |