Трансформаторы с подвижными обмотками могут выпол­няться с магнитопроводами броневого (рис. 2.5, а, б, в) и стержневого (рис. 2.5, г) типов. Обмотки броневого трансформатора бывают цилин­дрическими или дисковыми, обмотки стержневого трансформатора, как правило, — только дисковыми.

Развитое магнитное рассеяние трансформаторов достигается за счет развитой проводимости между стержнями магнитной системы и рас­положения первичной 1 и вторичной 2 обмоток вдоль стержней 3 маг - нитопровода на некотором расстоянии друг от друга (рис. 2.5).

Одна из обмоток трансформатора, обычно первичная, выполняется неподвижной, другая — подвижной. Перемещение подвижной обмотки осуществляется ходовым винтом. Реактивное (индуктивное) сопро­тивление трансформатора и, следовательно, сварочный ток изменяются

Рис. 2.5. Конструкции трансформаторов с подвижными обмотками и упрощенная картина поля рассеяния трансформатора

при изменении расстояния меэаду обмотками. Полностью сдвинутым обмоткам соответствует минимальное индуктивное сопротивление и, следовательно, максимальный сварочный ток.

В трансформаторах броневого типа с цилиндрическими катушками подвижная обмотка часто имеет меньшие радиальные размеры и может входить внутрь неподвижной обмотки (рис. 2.5, а, б). При увеличении расстояния между обмотками индуктивное сопротивление возрастает и сварочный ток падает. Для расширения пределов регулирования тока в отдельных конструкциях трансформаторов наряду с подвижной об­моткой используются небольшие магнитные шунты 4, 5 (рис. 2.5,6). 28

Когда подвижные шунты 5 совмещают с неподвижными 4, индуктивное сопротивление резко возрастает.

Расчеты и эксперименты показали, что все известные модификации трансформаторов броневого типа уступают по удельным расходам активных материалов и по КПД трансформаторам стержневого типа [1, 24]. Поэтому трансформатор стержневой конструкции (рис. 2.5, г) получил самое широкое распространение в отечественных сварочных трансформаторах для ручной дуговой сварки. Эта же конструкция трансформатора с жестко закрепленными, но разнесенными относи­тельно друг друга первичными н вторичными обмотками является основной как для трансформатора с магнитными шунтами, подвижными и управляемыми постоянным током, так и для ряда источников с тирис­торным регулированием

Для трансформатора с подвижными обмотками характерна неко­торая зависимость напряжения холостого хода от расстояния между обмотками. При раздвиженин обмоток вследствие роста потока рас­сеяния, замыкающегося по воздуху в окне между стержнями, напряже­ние холостого хода снижается на 3—6% относительно значения, полу­чаемого при сдвинутых обмотках.

Следует отметить, что индуктивное сопротивление в зависимости от расстояния меоду обмотками изменяется по линейному закону и, следовательно, сварочный ток изменяется обратно пропорционально расстоянию между обмотками. При большом раздвижении обмоток эффективность регулирования тока снижается при непрерывном росте массы магнитопровода. Поэтому большой диапазон плавного регулиро­вания в трансформаторах с подвижными обмотками нецелесообразен.

Для расширения пределов регулирования тока при ограничении массы магнитопровода применяется плавно-ступенчатое регулирование путем одновременного переключения числа витков первичной и вто­ричной обмоток с сохранением постоянства коэффициента трансформа­ции или с некоторым его снижением в диапазоне малых токов.

Схемы трансформаторов с плавно-ступенчатым регулированием приведены на рис. 2.6, а, б, в. На рис. 2.6, г представлены регулировоч­ные характеристики трансформаторов, т. е. зависимости вторичного (сварочного) тока от расстояния между обмотками /2 = /(?).

Необходимым условием плавно-ступенчатого регулирования явля­ется стыковка между двумя диапазонами тока. ГОСТ 95-77 допускает небольшой разрыв токов при переходе с одного диапазона на другой — не более 7,5%.

Две ступени регулирования для трансформатора по схеме рис. 2.6, в соответствуют параллельному или последовательному соединению катушек обмоток на разных стержнях. При этом напряжение холостого хода не изменяется, а индуктивное сопротивление обмоток изменяется в четыре раза. Регулировочные характеристики этого трансформатора для двух ступеней регулирования приведены на рис. 2.6, г (кривые 1 и 2). Чтобы получить стыковку между двумя диапазонами токов в этом трансформаторе, необходимо иметь кратность регулирования не менее 1

к 4 в каждом диапазоне токов. При этом общая кратность регулиро­вания тока составляет 1 к 16. Такое глубокое регулирование тока на практике не используется.

Для уменьшения высоты магнитопровода, массы и габаритов транс­форматора в целом во ВНИИЭСО разработана схема трансформатора [2] (рис. 2.6, б) с частичным отключением витков катушек первичной обмотки при переходе с параллельного их соединения на последова­тельное. Напряжение холостого хода в диапазоне малых токов повы­шается, что благоприятно сказывается на стабильности горения дуги. На рис. 2.6, г регулировочные характеристики 1 к 3 соответствуют схеме трансформатора с частичным отключением витков.

Чтобы получить перекрытие ступеней токов, достаточно раздвигать обмотки на расстояние £2, а не на {1( как у трансформаторов по схеме рис. 2.6, а. Габариты магнитопровода при этом могут быть снижены на 20-25% пропорционально разности £i-£2.

На рис. 2.6, в приведена схема трансформатора, в котором катушки первичной обмотки включены последовательно. Катушки вторичной обмотки на ступени больших токов включены параллельно, а при пере­ходе на ступень малых токов одна катушка вторичной обмотки от­ключается. При этом в конкретных конструкциях трансформаторов
(переносные сварочные трансформаторы на токи 160 и 250 А) с учетом поля рассеяния, замыкающегося на металлический кожух, индуктивное сопротивление трансформатора изменяется примерно в два раза.

Индуктивное сопротивление трансформатора. При расчете свароч­ного трансформатора к числу основных исходных данных относятся пределы регулирования сварочного тока, которые непосредственно связаны с индуктивным сопротивлением трансформатора.

Максимальному сварочному току соответствует минимальное индуктивное сопротивление Xmi„ (обмотки полностью сдвинуты), минимальному сварочному току — максимальное дстах (обмотки раз­двинуты) .

Рассмотрим картину магнитного поля рассеяния трансформатора стержневого типа (см. рис. 2.5, д): справа на рисунке показана эпюра магнитодвижущих сил трансформатора. Реальное поле рассеяния транс­форматора можно представить как сумму трех составляющих: поля рассеяния в лобовых частях обмоток (Ф1Л, Фгл)» поля рассеяния в окне трансформатора в зоне катушек (Фюк> Фгок) и поля рассеяния в зазоре между обмотками Фок. Поле Фок уже при небольшом расстоянии от обмоток с большой степенью точности может быть представлено как плоскопараллельное поле, при этом можно считать, что магнитные силовые линии поля замыкаются по воздуху между стержнями магнит­ной системы в плоскостях, перпендикулярных осям стержней.

Магнитная проводимость X при д = 1 между стержнями магнитной системы, отнесенная к единице длины, определяется экспериментально и может быть представлена эмпирической зависимостью

Х= 1,5 + 1,2 — ,

сок

где b — размер магнитопровода в направлении набора; сок — ширина окна магнитопровода.

В соответствии с картиной поля рассеяния индуктивное сопро­тивление трансформатора также может быть представлено как сумма трех составляющих:

X = хок + хл + х% .

Составляющие хок и хп не зависят от расстояния между обмотками и соответствуют магнитному полю в окне трансформатора (Ф1ок, Фгок) и в лобовых частях (Ф1л, Ф2л) при полностью сдвинутых обмотках (| = 0). Составляющая соответствует магнитному полю в окне транс­форматора в зазоре между обмотками и связана с расстоянием между обмотками % прямо пропорциональной зависимостью.

Ниже приводятся формулы для расчета индуктивного сопротивле­ния рассеяния, отнесенного ко вторичным обмоткам с числом витков

[22]. Формулы получены в предположении, что магнитная прони­цаемость магнитопровода бесконечна, отсутствует демпфирующее влияние вихревых токов, ток в витках распределен равномерно.

Индуктивное сопротивление

где со — 2irf — угловая частота, с 1До = 4я • 10 7 — магнитная постоян­ная, Гн/м; Aj и й2 - высота катушек первичной и вторичной обмоток, м. Индуктивное сопротивление

_ 1 ,. , «Л

*л ~ ^До ^2 ------ >

І, Г

где /л - условная средняя длина витка катушек в лобовой части, м; £ і»£2 > £ 12 — средние геометрические расстояния, м.

Величины /л и gi, g2, gи определяются по следующим соотноше­ниям:

h — (^1ср * ^2ср)/2,

гДе licp, hep — средняя длина витка катушек первичной и вторичной обмоток, м;

8і = 0,223(2с, + Aj); g2 =0,223(2с2 + А2),

где сь с2 - размеры катушек по ширине вне окна магнитопровода с учетом вентиляционных каналов и каналов между катушками и магни-

топроводом, м;

812 = 2сср [0,22 + 0,75Аср/(2сср)] при 1 <2Сср/АСр <«>,

где

Сер = Oi + с2)/2; Аср = (Й! + А2)/2.

Индуктивное сопротивление WХ£.

При расчете минимального индуктивного сопротивления трансфор­матора xmin (при полностью сдвинутых обмотках) составляющая определяется с учетом минимального расстояния между обмотками, необходимого по конструктивным соображениям. Максимальное индук­тивное сопротивление хтах рассчитывается при максимальном рассто­янии между обмотками.

Приведенные соотношения соответствуют параллельному включе­нию обмоток трансформатора. При переходе к последовательному соеди­нению (w2 = 2w2 ) индуктивное сопротивление возрастает в четыре раза.

Элементы расчета трансформатора. Исходными данными при расчете являются расчетная мощность трансформатора, продолжительность нагрузки, номинальный ток и пределы его регулирования, номинальное рабочее напряжение, напряжение холостого хода и тепловой режим, иа который рассчитывается трансформатор (класс изоляции обмоток).

В последние годы созданы методики машинного расчета оптимальной геомет­рии трансформатора с учетом его регулировочных свойств, однако эти методики еще несовершенны, так как не учитывают постоянство теплового режима для всех

просчитываемых вариантов. Поэтому до настоящего времени расчет ведется мето­дом последовательных приближений. Предварительно определяются основные геометрические размеры трансформатора, а потом производится поверочный расчет всех заданных величин, и в первую очередь индуктивного сопротивления; затем уточняются геометрические размеры и т. д.

При плавно-ступенчатом регулировании поверочный расчет индуктивных сопротивлений и пределов регулирования тока производится для обеих ступеней (диапазонов).

Расчет выполняется в следующем порядке:

1. Минимальное и максимальное индуктивные сопротивления, обеспечива­ющие заданные пределы регулирования:

_ Jut, - Ju*- и*

xmin " > xmax ~ . >

1-а. ■*»»

где /22 и 1г1 - максимальный и минимальный ток нагрузки; U„ и Un - рабочие напряжения, соответствующие токам нагрузки /22 и /21, определяемые, например, по формуле Uг — 20 + 0,04 /2 в вольтах.

2. Числа витков обмоток. В сварочном трансформаторе выбор числа витков обмоток имеет принципиальное значение, так как витки определяют пределы регулирования сварочного тока. Для выбора числа витков обмоток w,, w2 реко­мендуется пользоваться эмпирической зависимостью параметра ew (в вольтах на виток) от расчетной мощности трансформатора (в киловольт-амперах), при­веденной к длительному по иагреву току трансформатора:

ew = 0,55 + 0,095 Рд,.

Эта зависимость справедлива для широкого диапазона мощностей, однако наибольшую сходимость результатов дает в диапазоне 5—30 кВ-А.

Мощность в киловольт-амперах

где /2ном ~ номинальный вторичный ток, А; ПН - продолжительность нагрузки, %.

Числа витков обмоток:

W| w2

3. Числа витков катушек. При параллельном соединении катушек у1к = w,; w2k = w2.

4. Номинальный ток-лервичной обмотки в амперах

f _ ^2 ном

Мном — --------------- у

п

где = 1,05 ... 1,1 - коэффициент, учитывающий намагничивающий ток транс­форматора; п — коэффициент трансформации.

5. Сечение стали сердечника трансформатора в квадратных сантиметрах

Sc = U„ • Ю4/(4,44/w25m),

где Вт - индукция в сердечнике, Тл. Для холоднокатаной стали индукция может быть принята равной Вт = 1,6 ... 1,7 Тл.

2 Зак. 953

6. Конструктивные размеры трансформатора. Расчет конструктивных разме­ров приводится применительно к стержневой конструкции, эскиз которой дан на рис. 2.7. TJanee все линейные размеры даны в миллиметрах, сечения - в квадрат­ных миллиметрах.

1) Ширина пластаны стержня а и ширина окна магнитопровода:

Ас • 10 *

о = J —— ; сок = ьірг,

v Pikc

где р, = bja = 1,8 ... 2,2; р2 — 1,0 ... 1,2; кс = 0,95 ... 0,97 - коэффициент заполнения стали; Ъ - высота набора магнитопровода.

Указанные значения коэффициентов р,, рг рекомендуются для трансформа­торов на токи 315-500 А.

2) Сечения обмоточных проводов (для параллельного соединения катушек):

Лном /(2 Ті); Яг — ^2ном/ @/2).

Для трансформаторов на ток до 500 А класса изоляции Н для ручной дуговой сварки, изготовленных из алюминиевого провода, могут быть рекомендованы сле­дующие значения плотностей тока: /, = 2,4 ... 2,8 А/мм3; J2 = 2,1... 2,3 А/мм*. Нижние значения /, и /2 соответствуют трансформаторам большей мощности. Для первичной обмотки обычно используется провод марки АПСД, для вторич-

.ной — голая шина марки АДО.

3) Размеры провода, выбира­емые исходя из требуемых сечений провода по таблицам стандартов или технических условий: «1п, biп — ширина и высота провода первичной обмотки; ~

то же для вторичной обмотки; в 1п> *Ш> а2п> ь2п - ТО же в изо­ляции.

Высоту провода следует выби­рать возможно меньшей, так как добавочные потери в обмотках от потоков магнитного рассеяния трансформатора пропорциональ­ны четвертой степени высоты провода.

4) Конструктивно-крепежные размеры (рис. 2.7):

изоляционные расстояния кату­шек в окне от магнитопровода «, = 5 ... 10; верхнее значение соответствует подвижной обмотке;

ширина вентиляционных кана­лов в обмотках 5, = 10... 13;

Рис. 2.7. К расчету геометрических
размеров трансформатора

ширина прокладки между катушками первичной обмотки 5, = 1,5 ... 2,0; размеры крепежных изоляционных деталей первичной обмотки 64 = Ss = 10; то же для вторичной обмотки 6, = S, = 10 ... 13,

5) Размеры катушки первичной обмотки: ширина катушки

тік = (сок ~ 26» — ^а)/2; число слоев в катушке

«1СЛ = г”ік/1(“'іп + *и) *у]>

где fc„ = 0,15 мм - толщина межслоевой изоляции; к у = 1,1 - коэффициент, учи­тывающий неплотность укладки проводников; число витков в слое

wlcn — ",1к^”ісл> высота первичной катушки

= wlcn *1п кГ

Если трансформатор изготовляется по схеме рис. 2.6, б, то между основной частью первичной катушки и отключаемой частью необходимо проложить усилен­ную изоляцию — поставить три прокладки по 0,15 мм.

6) Размеры катушки вторичной обмотки. Вторичная обмотка наматывается ”на ребро” голой алюминиевой шиной марки АДО. Выбор размера шины и внут­реннего радиуса намотки ”на ребро” производится из условия, что относительное удлинение волокон шины по наружному радиусу должно быть не более 30%, в про­тивном случае могут появиться разрывы шины при намотке.

Высота катушки

Л, = w2Kb'2nky.

7) Высота окна магнитопровода

Л ок = «4 + К + W + /,2 + sv

Величина fmax определяется в процессе поверочного расчета индуктивного сопротивления трансформатора.

Поверочный расчет трансформатора производится по приведенным ранее фор­мулам. Пример расчета основных геометрических размеров трансформатора дан в приложении.

7. Полный тепловой расчет может быть выполнен по известным методикам расчета силовых трансформаторов.