§ 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

процесса сварки, особенно при режимах малых сварочных токов.. Вибрации приводят к разрушению регулировочного механизма и к выходу из строя дросселя. Из-за значительных эксплуатационных недостатков и низких технико-экономических показателей источ­ники типа СТЭ сняты с производства, но они еще имеются в экс­плуатации на ряде предприятий. Подробное описание источников приводится в [10, 12].

 

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)

препятствует спаданию основного. Магнитные поля рассеяния, из­меняясь во времени, индуктируют в обмотках трансформатора э. д.с. рассеяния е0, и ео2:

/

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

т

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

Ё, 1 = 4,44/^. (2.22)

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)

иг

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 Тип трансформатора Технические данные ТДФ-1001 ТДФ-1601 Климатическое исполнение, категория разме­щения......................................................................... УЗ, ТЗ УХЛ4 Нижнее значение температуры окружающего воздуха, °С................................................................... —10 + I Номинальный сварочный ток, А.......................... 1000 1600 Пределы регулирования сварочного тока, А 400—1200 600—1800 Режим работы, ПН%.............................................. 100 100 Пределы регулирования рабочего напряже­ния, В. . . .................................................................................... 36—44 50—60 Напряжение холостого хода, В, не более. 80 110 Номинальное напряжение питающей сети, В 220, 380 380 Первичная мощность, кВ-А................................... 82 182 К. п. д., %................................................................ 87 88 Габаритные размеры, мм...................................... 830X1200X1200 830X1200X1200 Масса, кг, не более................................................. 720 1000

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

h

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