Пособие по источникам питания

расстоянию между обмотками. При большом раздвижении обмоток эффективность регулирования тока снижается при непрерывном росте 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 обмотки с сохранением постоянства коэффициента трансформации или с некоторым его снижением в диапазоне малых токов.

Две ступени регулирования для трансформатора соответствуют параллельному или последовательному включению обмоток.

При переключении напряжение холостого хода не изменяется, а индуктивное сопротивление обмоток изменяется в четыре раза. Чтобы получить стыковку между двумя диапазонами токов в таком трансформаторе, необходимо иметь кратность регулирования не менее 1 к 4 в каждом диапазоне токов. При этом общая кратность регулирования тока составляет 1 к 16.

Для уменьшения высоты магнитопровода, массы и габаритов трансформатора применяется схема с частичным отключением витков катушек первичной обмотки при переходе с их параллельного соединения на последовательное. Напряжение холостого хода в диапазоне малых токов повышается, что благоприятно сказывается на стабильности зажигания и горения дуги, так как повышается напряженность электрического поля, что увеличивает автоэлектронную эмиссию.

Эта же конструкция трансформатора с жестко закрепленными, но разнесенными относительно друг друга первичными и вторичными обмотками является основной для трансформатора с магнитными шунтами.

3.1.2. Трансформаторы с подвижными магнитными шунтами

Трансформаторы с развитым магнитным рассеянием и подвижными магнитными шунтами выполняются на магнитопроводах стержневого типа и имеют дисковые обмотки.

Обмотки трансформатора (рис. 16, а) расположены симметрично на двух стержнях магнитопровода. В канале между первичными W1 и вторичными W2 обмотками установлен магнитный шунт Sм. Между шунтом и стержнями магнитопровода имеются воздушные зазоры lз.

Возможны два варианта взаимного расположения первичной и вторичной обмотки относительно шунта, а именно полное или частичное разнесение. При полном разнесении первичные и вторичные об-

61

мотки расположены по разные стороны шунта (рис. 16, а). При частичном разнесении вторичная обмотка состоит из двух секций, основной и дополнительной, причем дополнительная обмотка размещена в зоне первичной обмотки и имеет с ней хорошую электромагнитную связь.

Как показывает опыт, трансформатор с полностью разнесенными обмотками целесообразно выполнять только на небольшие мощности - на токи до 200-250 А. Для дальнейшего увеличения тока приходится снижать числа витков первичных и вторичных обмоток. При этом нарушается оптимальное соотношение расхода обмоточных материалов и стали, трансформатор становится «стальным», его масса растет.

Дополнительные витки вторичной обмотки незначительно увеличивают индуктивное сопротивление трансформатора и позволяют создать оптимальную по массе и пределам регулирования конструкцию.

В трансформаторах с частичным разнесением обмоток для получения двух диапазонов регулирования обычно изменяют степень разнесения обмоток. Полному разнесению обмоток соответствует диапазон малых токов. При переходе на диапазон больших токов включается дополнительная вторичная обмотка.

При переходе с одного диапазона токов на другой в трансформаторе с шунтом не требуется переключения витков первичной обмотки, что положительно сказывается на надежности трансформатора.

Плавное регулирование тока в трансформаторе осуществляется перемещением магнитного шунта вручную или сервоприводом. При полностью вставленном в окно шунте магнитная проводимость для потока рассеяния и, следовательно, индуктивное сопротивление трансформатора максимальны, сварочный ток при этом минимален. При выдвижении шунта из окна магнитопровода магнитная проводимость уменьшается и сварочный ток растет.

Скорость снижения индуктивного сопротивления ХL при выдвижении шунта вначале постоянна, а затем уменьшается, стремясь к нулю, При выходе шунта за пределы окна магнитопровода изменение ХL относительно невелико.

Магнитный шунт при выходе из окна магнитопровода испытывает максимальное осевое электромагнитное усилие, втягивающее шунт в окно магнитопровода и вызывающее его вибрацию. Для снижения вибрации применяются тугие направляющие, по которым перемещается шунт, или шунт снабжается пружинами, отжимающими его к одной стороне магнитопровода или устанавливающими его в окне с некоторым перекосом. Вибрация магнитного шунта значительно уменьшается, если его разделить на две равные части и регулирование тока производить, перемещая части шунта из окна в противоположные стороны

62

(рис. 16, б). В этом случае осевые усилия, действующие на шунты, направлены навстречу друг другу.

Рис. 16. Конструктивная схема трансформатора с подвижным магнитным шунтом

3.1.3.Трансформаторы с нормальным магнитным рассеиванием

ипоследовательно включенным дросселем

Это обычные однофазные понижающие трансформаторы большой мощности, предназначенные для получения напряжения 60-65 В, необходимого для возбуждения и поддержания электрической дуги переменного тока.

Они применяются для ручной электродуговой сварки, поэтому в своем составе имеют либо встроенный дроссель, либо комплектуются отдельными реактивными катушками-дросселями. Трансформатор имеет небольшое (нормальное) магнитное рассеяние.

Между трансформатором и дросселем существует только электрическая связь.

Сердечник дросселя, кроме неподвижной части, имеет еще и подвижную - магнитный пакет, которым создается переменный зазор. Магнитный пакет перемещается вручную при помощи ходового винта.

Холостой ход трансформатора. При холостом ходе сварочный ток, а значит, и магнитный поток дросселя равны нулю, т.е. Фд = 0.

Для определения напряжения холостого хода можно применить следующую формулу:

	U1		W1		(36)
	Ux.x.	W2 Kм ,

63

где U1 - напряжение сети, В; Ux.x. - напряжение холостого хода, В; W1, W2 - число витков первичной и вторичной обмоток, Км - коэффици-

ент магнитной связи, Км = 1, так как трансформатор имеет нормальное магнитное рассеяние.

Отсюда следует, что напряжение холостого хода трансформатора зависит от первичного напряжения и коэффициента трансформации (kт). Так как первичное напряжение U1 и kт постоянны, то и вторичное напряжение U2 холостого хода трансформатора всегда остается постоянным.

Режим нагрузки трансформатора. При горении сварочной дуги по виткам вторичной обмотки и обмотки дросселя протекает сварочный ток.

Сварочный ток во вторичной обмотке трансформатора, как было сказано выше, вызывает увеличение тока в первичной обмотке. Напряжение на выходе трансформатора при этом остается неизменным, так как магнитный поток, протекающий по вторичной обмотке не меняется с изменением нагрузки. Рабочее напряжение сварочной дуги будет зависеть от реактивного сопротивления дросселя

U p U2 E	,	(37)

где Е – э.д.с. дросселя.

Так как характеристика трансформатора жесткая, то при коротком замыкании реактивная Е = U2. Это объясняется тем, что при коротком замыкании, когда сопротивление дуги практически равно нулю, весьма большие токи в обеих обмотках могут вывести их из строя, поэтому в цепь последовательно включается дроссель. Учитывая, что сопротивление дросселя

RL 2 f l , Ом,

(38)

то, при изменении воздушного зазора изменяется ограничение тока. Таким образом, дроссель служит для регулирования сварочного тока.

При увеличении зазора а (рис. 17) магнитное сопротивление RM увеличивается, а магнитный поток дросселя Фдр уменьшается, что вызывает увеличение сварочного тока. При уменьшении зазора сварочный ток уменьшается, а при сварке аппаратами с постоянной скоростью подачи проволоки изменяется напряжение дуги.

При коротком замыкании ток в сварочной цепи увеличивается настолько, что э.д.с. самоиндукции дросселя Есам. по абсолютной величи-

64

не становится равной напряжению вторичной обмотки E U2 .

При этом напряжение на выходе дросселя упадет до нуля, а ток короткого замыкания будет ограничен.

Небольшая часть э.д.с, затрачиваемая на преодоление сопротивления вторичной обмотки, вызывает большой ток короткого замыкания, так как внешнее и внутреннее сопротивление цепи вторичной обмотки очень мало и будет

I			E		U	U2	, А,	(39)
	к.з.
		R	r		R	r

где U - падение напряжения в витках вторичной обмотки (0,8-1,2, В); R - сопротивление сварочной цепи, Ом; r - сопротивление вторичной обмотки (сумма R-r составляет тысячные доли Ома).

Рис. 17. Схема сварочного трансформатора с отдельным дросселем

3.2. Сварочные трансформаторы с электронным регулированием

Схема простейшего тиристорного трансформатора (ТТ) прерывистого тока представлена на рисунке 18.

Рис. 18. Схема тиристорного трансформатора: СТ - силовой трансформатор; ФР – вазовый регулятор

Основными элементами этой схемы являются фазорегулятор (ФР) на тиристорах и силовой трансформатор (СТ).Способ фазового регули-

65

рования основан на преобразовании синусоидального тока в знакопеременные импульсы, амплитуда и длительность которых определяются углом включения тиристоров. Этот способ регулирования при дуговой сварке считался неприемлемым, поскольку в паузах между импульсами тока происходит быстрая деионизация дугового промежутка, затрудняющая повторные возбуждения дуги.

Особенно большие паузы имеют место в устройствах, близких к идеальным, где используется силовой трансформатор с нормальным магнитным рассеянием.

Форма напряжения на активной нагрузке при питании синусоидальным током представлена на рисунке 19.

Рис. 19. Диаграмма напряжений

Заштрихованная часть напряжения осциллограмм приложена к нагрузке, не заштрихованная – к запертым тиристорам. Среднее (за полупериод) и действующее значения напряжения на нагрузке определяются следующим соотношениями:

	U		2 U2	(1 cos ), В,	(40)
		н.ср.

действующее напряжение на нагрузке

Uн.д. U2	sin 2 2	, В,	(41)

коэффициент формы

66

где U

	kф	Uн.д.		1				sin 2	,	(42)
		Uн.ср.	1 cos		2		2

активная мощность, выделяемая в нагрузке:

P I2ср. Uн.ср.	, Вт.	(43)

3.2.1. Работа тиристорного трансформатора

Для сварки разработан ряд специальных схем и конструкций ТТ, простых и экономичных, обеспечивающих достаточно высокую стабильность горения дуги и позволяющих реализовать все преимущества тиристорного регулирования. Отличительной особенностью этих устройств является наличие силового трансформатора с развитым электромагнитным рассеянием или дополнительного дросселя в сварочной цепи.

Силовые схемы ТТ могут быть подразделены по двум основным признакам: способу обеспечения непрерывности процесса сварки и месту установки тиристорного фазорегулятора - в первичной или вторичной цепи.

По первому признаку ТТ делятся на две группы. В трансформаторах одной группы стабильность процесса сварки обеспечена непрерывностью сварочного тока (рис. 20, а). Для заполнения бестоковых пауз в интервалы непроводимости тиристоров использована специальная цепь, называемая цепью подпитки дуги, по которой проходит минимально необходимый для устойчивого процесса сварки ток (ток подпитки i20). Сдвиг между током i20 и напряжением u20 здесь определяется углом ψ, зависящим от соотношения напряжений дуги и цепи подпитки:

	cos	Uд		(44)
		2 U20m ,

20m - амплитудное значение напряжения цепи подпитки.

В трансформаторах другой группы сварочный ток i2 прерывистый

(рис. 20, б).

Длительность протекания тока определяется углом включения силовых тиристоров, который здесь является также углом сдвига между током и напряжением холостого хода трансформатора. Для надежного повторного возбуждения применена импульсная стабилизация горения

67

дуги. В момент окончания бестоковой паузы на дугу накладывается стабилизирующий импульс тока.

Рис. 20. Диаграммы напряжений и токов трансформаторов: а) с цепью подпитки; б) импульсной стабилизацией

Тиристорный фазорегулятор совмещает функции управления значением тока и коммутирующего элемента импульсного стабилизатора горения дуги.

В промышленных сварочных установках наибольшее распространение получили ТТ с прерывистым регулированием тока и импульсной стабилизацией, так как применение цепи подпитки связано с дополнительным расходом активных материалов, с применением дополнительного коммутатора цепи подпитки для снятия напряжения холостого хода, а относительно низкая скорость нарастания тока подпитки при смене полярности обусловливает невысокие сварочные качества источников.

Размещение тиристорного фазорегулятора в первичной или вторичной (сварочной) цепи трансформатора во многом определяет конструкцию ТТ. Во всех случаях, когда не требуется управлять значением постоянной составляющей сварочного тока, предпочтительнее включение тиристоров в сравнительно слаботочную цепь первичной обмотки трансформатора. Кроме снижения габаритов регулятора и потерь в тиристорах, такое решение позволяет уменьшить или исключить потери холостого хода трансформатора, обеспечивает оперативное отключение его от питающей сети. Однако при включении тиристоров в первичную цепь трансформатора становится невозможным регулировать (компенсировать) постоянную составляющую сварочного тока; в трансформаторах с цепью подпитки уменьшается диапазон регулирования сварочного тока, повышаются требования к симметрии импульсов управления тиристорами, к надежности и электрической прочности цепей управления.

68

3.3. Трансформаторы с цепью подпитки

По данным многочисленных экспериментов значение тока подпитки, достаточное для стабильного горения дуги, составляет: 10-15 А для аргонодуговой сварки неплавящимся электродом алюминиевых сплавов при наличии импульсного стабилизатора дуги и напряжения холостого хода источника питания около 70 В; 10-15 А для ручной дуговой сварки покрытыми электродами; 20-30 А для автоматической сварки под флюсом.

Поскольку при смене полярности электродов ток дуги равен току цепи подпитки, очевидно, что параметры последней целиком определяют надежность повторного возбуждения дуги. Малое значение тока подпитки позволяет использовать для повышения стабильности дуги методы, традиционно считающиеся невыгодными по энергетическим или массогабаритным характеристикам: увеличение напряжения холостого хода источника, последовательный резонанс напряжений, формирование прямоугольной волны тока подпитки и т.п.

Рис. 21. Cхемы трансформаторов с цепью подпитки: а) во вторичной цепи;

б) в первичной цепи

На рисунке 21 представлены упрощенные схемы ТТ с цепью подпитки и тиристорами в цепи вторичной и первичной обмотки трансформатора. В схеме на рисунке 21, а тиристоры шунтированы дросселем, реактивное сопротивление которого на порядок выше сопротивления рассеяния силового трансформатора ТV1. Непосредственное шунтирование тиристоров дросселем (или резистором в трансформаторе малой мощности) снижает напряжение на первичной обмотке сварочного трансформатора в интервалы непроводимости тиристоров, что отрицательно влияет на устойчивость горения дуги. Для устранения этого явления может быть использован вспомогательный трансформатор или автотрансформаторная схема с дросселем.

В схеме ТТ, приведенной на рисунке 21, б, происходит непосредственное шунтирование тиристоров дросселем снижает напряжение на

69

первичной обмотке сварочного трансформатора в интервалы непроводимости тиристоров, что отрицательно влияет на устойчивость горения дуги. Для устранения этого явления может быть использован вспомогательный трансформатор.

3.4. Трансформатор с прерывистым питанием дуги

На рисунке 22 приведены схемы ТТ, в которых цепи подпитки исключены, а ток дуги прерывистый. На рисунке 22, а параллельно первичной обмотке силового трансформатора ТV1 включена цепь, состоящая из конденсатора и дополнительной импульсной обмотки трансформатора, причем дополнительная обмотка расположена в зоне вторичной обмотки силового трансформатора, которая намотана поверх нее с тем, чтобы обеспечить достаточную магнитную связь между этими двумя обмотками. При включении любого из тиристоров конденсатор заряжается до текущего значения сетевого напряжения. Зарядный ток конденсатора проходит по дополнительной обмотке, трансформируется во вторичную цепь силового трансформатора и вызывает в дуговом промежутке импульс напряжения, достаточный для повторного возбуждения дуги. По окончании периода проводимости тиристора дуга гаснет, конденсатор разряжается на первичную обмотку силового трансформатора. В следующий полупериод сетевого напряжения включается второй тиристор фазорегулятора, конденсатор заряжается в обратном направлении, его зарядный ток вызывает стабилизирующий импульс в межэлектродном промежутке и повторное возбуждение дуги.

Рис. 22. Трансформаторы с прерывистым питанием дуги

Параметры стабилизирующего импульса определяются подбором соотношения витков импульсной и вторичной обмотки и емкостью конденсатора. Амплитуда импульса зависит от утла включения тиристоров, однако незначительно, поскольку в ТТ с кратностью регулиро-

70