zdg_konspect

ЛЕКЦІЯ 4

4.1. Зварювальнi трансформатори з нормальним магнiтним розсiянням

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

Рис.4.1. Електромагнітна схема трансформатора з нормальним розсіянням із вбудованою реактивною котушкою

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

31

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

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

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

32

Рис.4.2. Електромагнітна схема трансформпатора з нормальним розсіянням з окремою реактивною котушкою (дроселем)

Рис.4.3. Електромагнітна схема однофазного дроселя насичення

33

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

4.2. Робота трансформатора

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

Неробочий хiд

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

Потiк Ф01, який створюється намагнiчувальною силою первинної обмотки, замикається в основному через середнє ярмо у виглядi потоку Ф0С i частково через верхнє ярмо у виглядi Ф0В. Потiк Ф01 взаємодiє з витками первинної W1 i вторинної W2 обмоток, наводить в них ЕРС Е1 i Е20. ЕРС Е1 виражається рiвнянням (4.1) i зрiвноважується прикладеною напругою мережi U1.

Е1=4,44fW1Ф01=U1. (4.1)

E20=4,44fW2Ф01

У свою чергу магнiтний потiк Ф0В у витках реактивної котушки WР наводить ЕРС ЕР0, яка виражається наступним рiвнянням:

34

де Кμ1–Р - коефiцiент магнiтного зв’язку первинної обмотки з реактивною,

Рис.4.4. Схема розподілу магнітних потоків в магнітопроводі трансформатора в режимі неробочого ходу

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

Е2=Е20±ЕРО=U20,

або Е2=4,44fФ01(W2±WРКμ1–Р). (4.4)

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

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

35

Навантаження

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

Ф&Т = Ф&1 + Ф&2.

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

реактивної котушок

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

Сумарний магнiтний потiк у нижньому ярмi дорiвнює:

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

KμР-Т = Φрн .

Φр

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

36

фазi i направленi зустрiчно потоку Ф1 (рис. 4.5 а). У цьому випадку ФРН послаблює Ф1 i при незмiннiй напрузi U1 Φ& Н ≈ Φ& т ≈ Φ& 01 ≈ const з мережi споживається велика потужнiсть порiвняно із зустрiчним увімкненням W2 i WР (рис.4.5 б). Увімкнення обмоток вiдбувається виходячи з умов зварювання. Застосування узгодженого увімкнення доцiльне при зварюваннi на малих струмах, коли спостерiгається недостатня стiйкiсть горiння дуги. При зварюваннi на великих струмах краще застосовувати зустрiчне увімкнення обмоток, оскільки знижуються масо-габаритнi показники трансформатора за рахунок зменшення перетину середнього ярма.

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

Е1=4,44fW1ФТ=U1. (4.7)

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

де КμТ-Р - коефiцiент магнiтного зв’язку трансформатора з реактивною котушкою у верхньому ярмi.

КμТ −Р = ФТВ .

ФТ

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

– основну ЕРС ЕР0.

Е&2ОСН = Е&20 ± Е&Р0 = U&20.

При навантаженнi Е2ОСН зрівноважується падiнням напруги на дузi UД i в обмотцi реактивної котушки ЕР, яка в свою чергу рівна ІДХР тобто:

E&2ОСН = U& Д + E&Р = U& Д + I&Д ХР = U&20.

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

37

значення струму i напруги дуги можна виразити в аналiтичнiй формi:

U Д = U202 − І Д2 ХР2 .

Коротке замикання.

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

ІК = U20 .

X P

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

Утрансформаторах з окремою реактивною обмоткою дросельна котушка має

зтрансформатором тiльки електричний зв’язок, i тому коефiцiент магнiтного зв’язку трансформатора з реактивною котушкою дорiвнює нулю. При аналiзi роботи такого трансформатора можуть бути використанi рiвняння роботи трансформаторiв iз вбудованою реактивною котушкою на загальному магнiтному осердi. Для цього в рiвняннях, якi характеризують режим роботи на неробочому ходi (4.2)-(4.5) i при

навантаженнi (4.6)-(4.11), коефiцiенти магнiтного зв’язку Кμ1-Р i КμТ-Р потрібно прирiвняти до нуля.

Регулювання режиму зварювання в трансформаторах з нормальним розсiянням.

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

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

38

RμЗ i опору повiтряного зазору RμП. Величина RμЗ незначна у порiвняннi з RμП, i тому для спрощення виразу (4.13) приймемо її рiвною нулю, тобто:

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

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

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

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

δП -Þ RμP -Þ XP ¯Þ IД - .

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

δП -Þ RμP -Þ ФP ¯Þ ЕР ¯ÞU Д -Þ I Д - .

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

39

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

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

40