zdg_konspect

ЛЕКЦІЯ 5

5.1. Зварювальнi трансформатори з пiдвищеним магнiтним розсiянням. Робота трансформатора в усталених режимах

Неробочий хiд

У режимi неробочого ходу зварювальний струм IД=0. При проходженнi струму I1 по первиннiй обмотцi з числом виткiв W1 створюються намагнiчувальні сили I1W1, якi i формують магнiтний потiк Ф01. Основна частина його замикається по магнiтопроводу, взаємодiючи з обмотками первинної W1 i вторинної W2 котушок

(рис.5.1).

Рис.5.1. Схема розподілу магнітних потоків в магнітопроводі трансформатора в режимі неробочого ходу

Незначна частина потоку Ф01 замикається по повiтрю, створюючи потiк розсiяння Ф01Р. Магнiтний потiк Ф01 у витках первинної обмотки наводить ЕРС Е1, яка зрiвноважується прикладеною напругою U1:

Е1=4,44fW1Ф01=U1. (5.1)

Частина потоку Ф01 у верхнiй частинi магнiтопроводу у виглядi потоку Ф01В у витках вторинної обмотки наводить ЕРС Е20, яка дорiвнює напрузi неробочого ходу:

Е20=4,44fW2Ф01В=U20. (5.2)

Потiк Ф01В можна виразити через коефiцiент магнiтного зв’язку первинної обмотки з вторинною Кμ1-2,

41

Kμ1−2 = Φ&&01B , тоді Φ& 01В = Φ& 01Kμ1−2 . Φ01

Величина ЕРС Е20 з урахуванням коефiцiенту магнiтного зв’язку становитиме:

Е20=4,44fW2Ф01Кμ1-2=U20.

З рiвнянь (5.2) i (5.2) якi визначають значення Е1 i Е2 можна одержати величину напруги неробочого ходу трансформатора.

U20 = U1 W2 Kμ1−2.

W1

Навантаження

При навантаженнi струм протiкає по первиннiй i вториннiй обмоткам, створюючи в них намагнiчувальні сили, якi, в свою чергу, наводять в магнiтопроводi основнi потоки Ф1 i Ф2. Частина цих потокiв розсiюється, утворюючи потоки Ф1Р i

Ф2Р (рис.5.2).

Для зручностi аналiзу роботи трансформатора в режимi навантаження розглянемо сумарну дiю магнiтних потокiв спочатку у нижнiй, а потiм у верхнiй

Рис.5.2. Схема розподілу магнітних потоків в магнітопроводі трансформатора в режимі навантаження

42

При незмiннiй первиннiй напрузi U1 потiк ФН залишається практично постiйним, оскільки будь яка змiна Ф2Н веде за собою змiну Ф1, пропорцiйну коефiцiенту трансформацiї. Будь-яка зміна ФН приводить до зниження чи збільшення струму в первинній обмотці. Завдяки цьому ФН відновлюється. Отже, за своїм значенням потiк ФН приблизно дорiвнює магнiтному потоку неробочого ходу Ф01, тобто:

ΦН ≈Φ01 ≈ const .

ЕРС, яка наводиться потоком ФН у первиннiй обмотцi трансформатора, дорiвнює:

E1=4,44fW1ФН.

У верхнiй частинi магнiтопроводу - «В» утворюється сумарний магнiтний потiк

ФВ:

де Кμ1-2 - коефiцiент магнiтного зв’язку первинної обмотки зi вторинною, який знаходиться з виразу:

Kμ1−2 = Φ1B

Φ2 .

З рiвняння (5.3) знайдемо Ф1:

Φ& 1 = Φ& Н − Φ& 2Н = Φ& Н − Φ& 2Kμ2−1 .

де Кμ2-1 - коефiцiент магнiтного зв’язку вторинної обмотки з первинною, який знаходиться з виразу:

Kμ2−1 = Φ2н

Φ2 .

Пiдставивши значення Ф1 у рiвняння (5.4) одержимо:

Φ& В = Φ& 2 + (Φ& Н − Φ& 2Kμ2−1)Kμ1−2 .

Величина Кμ1-2 i Кμ2-1 вiдрiзняються не суттєво одна вiд одної, i тому будемо вважати їх рiвними Кμ. Тодi:

Fн × Kμ = F01B

43

Величина 1− Kμ2 = σ - коефiцiент розсiяння. Тодi рiвняння (5.5) набуде вигляду:

Ф&В = Ф&2σ + Ф&01В .

Позначимо Ф2×s=ФР, де ФР - сумарний магнiтний потiк розсiяння в трансформаторi. Тоді

F& В = F& Р + F& 01В .

Потiк Ф01В наводить у вториннiй обмотцi трансформатора основну ЕРС Е2ОСН:

Е2ОСН=4,44fW2Ф01В = U20.

Потiк розсiяння ФР наводить у вториннiй обмотцi реактивну ЕРС Е2Р:

Е2Р=4,44fWРФР.

При навантаженнi ЕРС трансформатора Е2ОСН зрiвноважується падiнням напруги на дузi i реактивною ЕРС, тобто:

Е&2OCH = U& Д + E&2Р = U& Д + I&Д ХТ , оскільки Е2Р = І Д ХТ ,

де ХТ - iндуктивний опiр трансформатора.

Визначимо значення напруги і струму в аналiтичнiй формi:

U Д = U202 − І Д2 ХТ2 .

Коротке замикання

При роботi в режимi короткого замикання UД=0. Тодi вираз (5.6) набуде вигляду:

IK = U20 . XT

Трансформатори з пiдвищеним магнiтним розсiянням мають спадну зовнiшню характеристику, крутизна якої визначається величиною ХТ. Змiною ХТ можна проводити i плавне регулювання зварювального струму.

Трансформатор з пiдвищеним магнiтним розсiянням з рухомими котушками показано на рис.5.3.

44

Рис.5.3. Конструкція трансформатора з рухомими котушками

Магнiтопровiд трансформатора стрижневого типу-1, на якому розташовані первинна-2 i вторинна-3 обмотки, рознесенi одна вiдносно одної на визначену вiдстань. При проходженнi струму по обмоткам створюються магнiтнi потоки, основна частина яких замикається по магнiтопроводу, створюючи потiк трансформатора ФТ. Друга частина магнiтних потокiв замикається по повiтрю, створюючи потоки розсiяння первинної Ф1Р i вторинної Ф2Р обмоток.

Потоки розсiяння наводять у трансформаторi реактивну ЕРС, яка i визначає його iндуктивний опiр ХТ. Вiдстань мiж котушками обмоток «а» може змінюватися, вiдповiдно змінюються величина ХТ i зварювальний струм. Це плавне регулювання режиму зварювання. Рухома обмотка (в одних випадках первинна, в інших - вторинна) перемiщується за допомогою приводу перемiщення обмоток

– ходового гвинта-4. Ступiнчасте регулювання струму виконується змiною з’єднання котушок кожної обмотки мiж собою з послiдовного на паралельне та навпаки.

45

5.2. Регулювання режиму зварювання в трансформаторi з рухомими котушками

Плавне регулювання режимiв зварювання здiйснюється за рахунок змiни величини iндуктивного опору ХТ і пов’язане з перемiщенням рухомої котушки. При зменшеннi вiдстанi мiж обмотками «а» площа перетину Sсилових лiнiй потоків розсiяння зменшується, тому магнiтнi опори Rμ2Р, Rμ, а також коефiцiент магнiтного зв’язку Кμ мiж обмотками зростає. Все це призводить до зменшення ХТ i зростання струму навантаження I2.

''a'' ¯Þ S ¯Þ Rμ - Kμ -Þ XT ¯Þ I2 - .

Можна дати також i фiзичне обгрунтування цього способу регулювання. Iз зменшенням вiдстанi «а» потоки розсiяння Ф1Р i Ф2Р , а також σ знижуються, величина результуючого потоку ФΣ2, який пронизує вторинну обмотку, зростає, отже, напруга U2 i зварювальний струм I2 збiльшуються.

"α " ¯Þ Ф1P ,Ф2Р ¯Þ σ ¯Þ Kμ -Þ U2 -Þ I 2 -

де σ - коефіціент розсіяння, що визначається потоками розсіяння.

Для розширення дiапазону регулювання режимiв зварювання застосовують ще i ступiнчасте (грубе) регулювання, при якому змiнюють з’єднання котушок первинної, а також вторинної обмоток. Варiанти з’єднання котушок наведено на рис.5.4.

Рис.5.4. Схеми перемикання котушок при ступінчастому регулюванні зварювального струму

46

I варіант - у трансформаторi використовується одна котушка первинної i одна вторинної обмотки. Тодi напруга неробочого ходу U20 становитиме:

U201 = U1 W2 Kμ . W1

Iндуктивний опiр X т = X1′ + X 2.

ІI варіант - двi котушки первинної i двi котушки вторинної обмотки з’єднанi послiдовно. Тодi:

U202 = U1 2W2 Kμ = U201.

2W1

Iндуктивний опiр XT окремих котушок при цьому додається, тому опiр трансформатора XT2 = 2 × X1′ + 2 × X 2 = 2 × XT1 - бiльший в два рази порiвняно із першим випадком, а струм навантаження, вiдповiдно, нижче.

III варіанткотушки первинної і вторинної обмоток з’єднанi паралельно:

Зварювальний струм при паралельному з’єднаннi котушок значно вищий, нiж при послiдовному включеннi, причому кратнiсть ступiнчастого регулювання струму

I2МАХ/I2MIN=ХТ2/ХТ3=4. Цiнним є те, що при такому регулюваннi струму напруга U201 залишається постiйною, в той час як при паралельному з’єднаннi вторинних

котушок i послiдовному первинних U201=U01/2, а при паралельному з’єднаннi первинних котушок i послiдовному вторинних U20 висока i складає U20=2U201. При кратностi ступiчастого регулювання струму 4, перекриття двох дiапазонiв регулювання можливе, якщо плавна змiна струму має кратнiсть, також рiвну 4. У

47

цьому випадку досягається дуже висока кратнiсть, що дорiвнює 16, у чому немає необходностi. У той же час висока кратнiсть плавного регулювання призводить до значного збiльшення вiдстанi мiж котушками i масо-габаритних показникiв магнiтопроводу. Тому при переходi до дiапазону малих струмiв необхiдно одночасно з перемиканням котушок на послiдовне з’єднання зменшувати число виткiв первинної обмотки. В цьому випадку буде дещо збiльшуватись напруга неробочого ходу U20, що позитивно відбивається на стійкості горіння дуги при малих струмах. Кратність ступінчатого регулювання при цьому знижується з 4 до 2,5. Комбiноване регулювання струму за рахунок перемiщення i перемикання котушок може забезпечити кратнiсть регулювання вiд 6 до 10.

5.3. Конструкцiя зварювальних трансформаторiв з рухомими котушками

Широко застосовуються в промисловостi зварювальнi трансфоматори (далі ЗТ) з рухомими котушками як переносного типу (ТДМ-165УЗ, ТДМ-254У2), так i

пересувнi – (ТДМ-317У2, ТДМ-401У2, ТДМ-503У2, ТД-500 i т.д).

Розглянемо конструкцiю трансформатора такого типу на прикладi ЗТ марки ТДМ-401У2 (рис.5.5), призначеного для живлення ручного дугового зварювання, рiзання i наплавлення.

Рис.5.5. Конструкція трансформатора з рухомими котушками

48

Трансформатор призначений для роботи в районах помiрного клiмату на вiдкритому повiтрi пiд навiсом, являє собою пересувну установку в однокорпусному виконаннi з природною вентиляцiєю i складається з осердя магнiтопроводу-1, трансформаторних обмоток (первинної та вторинної)-2,3, перемикача дiапазонів струмiв-4, кожуха-6. Магнiтопровід ЗТ стрижневого типу, на якому крiпляться обмотки. Котушки первинної обмотки нерухомi, закрiпленi бiля нижнього ярма i виконанi з iзольованого алюмiнiєвого дроту марки АПСД, причому для мiжшарової iзоляцiї застосовується склотканина. Котушки вторинної обмотки - рухомі, закрiпленi бiля верхнього ярма, намотанi на «ребро» голою алюмiнiєвою шиною марки АДО та iзольованi скляною стрiчкою. Вiд осердя магнiтопровода обмотки iзольованi спецiальними пресованими планками. Осердя трансформатора зiбране з листiв електротехнiчної сталi марки 3414 товщиною 0,35 мм i виконане у виглядi безшпилькової конструкцiї. Через верхнє ярмо осердя пропущений ходовий гвинт, який угвинчується в ходову гайку, вмонтовану в обойму рухомих вторинних котушок. При обертаннi гвинта за допомогою ручки-5 перемiщуються вториннi котушки, змiнюючи тим самим iндуктивний опiр трансформатора i, вiдповiдно, зварювальний струм. Для виключення вiбрацiї рухомих котушок обойма їх крiплення споряджена плоскими пружинами, якi при перемiщеннi ковзають по магнiтопроводу. Пiдключення мережi i зварювальних дротів здiйснюється через спецiальнi роз’єми, розташованi на передній сторонi трансформатора. Перемикання дiапазонів струму (ступiнчасте регулювання) виконується перемикачем, ручку якого виведено на кришку кожуха. Для вiдрахування величини зварювального струму призначена стрiлка, безпосередньо зв’язана з обоймою крiплення вторинних котушок. Вiдрахування здійснюється за шкалою, вiдградуйованою для двох дiапазонiв струму i розташованою на боковинi кожуха. Трансформатор має ємнiсний фiльтр для зниження радiоперешкод, якi утворюються в процесi зварювання. Для зручностi перемiщення ЗТ споряджений чотирма колесами i ручкою, а для пiднiмання – римболтами, розташованими на кришцi кожуха.

Зовнiшнi характеристики крутоспадні з кратнiстю струму короткого замикання приблизно 1,3 вiд величини струму при номiнальнiй робочiй напрузi (рис.5.6).

Трансформатор може працювати i в паралельному режимi з іншими ЗТ. Для цього на них повиннi бути встановленi в однакове положення перемикачi дiапазонiв струму i значення струмiв за шкалою. На рис.5.7 подано принципову електричну схему трансформатора.

49

Рис.5.6. Зовнішні характеристики трансформатора ТДМ-401 У2

На кожному стрижнi ЗТ розташованi по однiй котушцi первинної обмотки з числом витків W1. За допомогою перемикача SA можна виконувати послiдовне або паралельне увімкнення котушок як первинної, так i вторинної обмоток. Паралельне увімкнення вiдповiдає дiапазону великих струмiв, послiдовне - малих. При цьому частина виткiв первинної обмотки вимикається i напруга неробочого ходу пiдвищується, що позитивно впливає на стiйкість процесу зварювання при малих струмах.

Подiбну конструкцiю мають i трансформатори типу ТДМ-317У2, серiї ТДМ-503. Рiзницею між ТДМ-503-1У2 i ТДМ-503-3У2 є те, що вони спорядженi пристроєм зниження напруги неробочого ходу, а ТДМ-503-2У2 – ще i конденсатором для пiдвищення потужностi.

Переноснi трансформатори типу ТДМ-165У2 i ТДМ-254У2 призначенi для роботи

50