Глава 2

СВАРОЧНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ

2.1. ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ

СВАРОЧНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Первоначально в качестве источников питания при дуговой сварке применяли машины с вращающимся ротором – генераторы постоянного тока. Это было связано с отсутствием научных представлений о процессах, протекающих в дуге, и требований к системе «источник питания – дуга», обеспечивающих устойчивость процесса сварки. Не было электродов с обмазкой, обеспечивающей достаточно надежную защиту сварочной ванны от окружающей среды и высокую стабильность горения дуги. Применение постоянного тока при сварке в какой-то степени снижало эти недостатки. С развитием науки об электрической дуге появилась возможность грамотного проектирования и применения источников переменного тока – сварочных трансформаторов.

Сварочные трансформаторы – наиболее распространенные в России источники питания для сварки покрытыми электродами низкоуглеродистых и низколегированных сталей переменным током.

Невысокая стоимость, простота конструкции, хорошие сварочные свойства, надежное исполнение большинством фирм обеспечили их широкое применение в строительстве, при ремонтных работах и в других отраслях производства. Все отечественные источники имеют электромеханическое плавное регулирование сварочного тока (подвижные катушки, подвижные шунты), а также ступенчатое регулирование за счет изменения числа витков катушек трансформатора. Модельный ряд токов – от 140 до 600 А при ПР от 15 до 60 %.

За рубежом сварочные трансформаторы выпускает небольшое число фирм для мелкосерийного производства, строительно-монтажных и ремонтных работ. Зарубежные сварочные трансформаторы отличаются высоким качеством изоляции – изоляция класса «Н» выдерживает нагрев до 180 С, – что позволяет уменьшить массогабаритные показатели источников, а высокая степень защиты обеспечивает возможность применения их на открытом воздухе; цикл сварки не менее 10 мин при ПВ (до 25 %). Диапазон сварочных токов порядка 140-200 А, по сути дела – это переносные сварочные трансформаторы.

Трансформаторы для автоматической сварки под флюсом в настоящее время за рубежом (кроме двух фирм ‑ Lincoln Electric и ESAB) не выпускаются.

Основными достоинствами сварочных трансформаторов являются:

• низкая стоимость их изготовления (они в 2-4 раза дешевле выпрямителей и в 6-20 раз дешевле агрегатов постоянного тока при одинаковой мощности);

• более низкая стоимость эксплуатации;

• сравнительно высокий коэффициент полезного действия (около 0,95-0,98);

• низкий удельный расход электроэнергии (около 2-4 кВтч на 1 кг расплавленного металла);

• простота в эксплуатации;

• простота и легкость ремонта.

Основной недостаток сварочных трансформаторов по сравнению с источниками постоянного тока – это низкая устойчивость горения дуги на переменном токе. При питании от трансформатора дуга периодически гаснет (см. п. 2.2. «Особенности сварочной дуги переменного тока»). Для легкого зажигания дуги и высокой устойчивости ее горения предусмотрено включение в сварочную цепь высокочастотного генератора (осциллятора) и применение электродов с высокими стабилизирующими свойствами, предназначенных специально для сварки на переменном токе. При использовании других электродов, например с фтористо-кальциевым покрытием (марка УОНИ), стабильность горения дуги нарушается, особенно при токе ниже 100 А. Поэтому такие электроды не рекомендуется применять для сварки на переменном токе.

2.2. ОСОБЕННОСТИ СВАРОЧНОЙ ДУГИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

При частоте переменного напряжения, питающего первичную обмотку трансформатора, 50 Гц, в дуге ток 100 раз в секунду снижается до нуля и меняет направление на обратное, дуга горит с перерывами. При этом после каждого такого обрыва дуга должна возбуждаться снова.

Таким образом, при сварке на переменном токе после смены полярности источник, в первую очередь, должен обеспечивать надежное повторное возбуждение дуги.

Как было показано, для обеспечения устойчивости дуги и стабильности режима сварки необходимо, чтобы источник имел падающую характеристику. Такая характеристика согласно (1.15) формируется за счет падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника Z_и , которое складывается из двух составляющих – активного R_и и реактивного X_и сопротивлений.

В зависимости от конструкции трансформатора в сварочной цепи может преобладать активное сопротивление, когда в цепь включен резистор R (рис. 2.1, а) или индуктивное, когда в цепь включена катушка индуктивности L (рис. 2.1, б), либо совместно – катушка с конденсатором С (рис. 2.1, в).

Рис. 2.1. Варианты питания сварочной дуги: а – дуга в цепи

с резистором; б – с катушкой индуктивности;

в – с конденсатором и катушкой индуктивности

Время перерывов в горении дуги, а значит и ее устойчивость, зависят от вида сопротивления, включенного в сварочную цепь. Рассмотрим это подробнее.

2.2.1. Дуга переменного тока в цепи с активным сопротивлением

Если в системе «источник-дуга» индуктивное сопротивление невелико, а сопротивлением проводов можно пренебречь, то можно считать, что энергия, забираемая с клемм источника, полностью отдается дуге, представляющей активное сопротивление. В этом случае напряжение источника и тока в дуге совпадают по фазе (максимумы напряжения и тока по времени совпадают).

При переходе тока через нуль напряжение источника U₂ с момента времени t_y становится меньше напряжения, необходимого для устойчивого дугового разряда (U₂ < U_ ) (рис. 2.2, а).

В результате дуга угасает, в дуговом промежутке температура падает, а его сопротивление, вследствие деионизации, резко возрастает, эмиссия электронов с остывающего катода уменьшается. После изменения полярности (точка π) напряжение источника возрастает, но дуговой разряд мгновенно восстановиться не может по указанным выше причинам. По мере нарастания напряжения источника нарастает ток дуги за счет увеличения термоэлектронной эмиссии и увеличения концентрации заряженных частиц в еще не остывшем дуговом промежутке. Для повторного зажигания дуги требуется более высокое напряжение источника, чем для устойчивого ее горения (U_З > U_ ). На осциллограмме этот момент проявляется в виде пика (рис. 2.2, а). С увеличением термоэлектронной эмиссии и ионизации межэлектродного промежутка ток в дуге нарастает и далее меняется по кривой, близкой к синусоиде, а напряжение на дуге снижается от U_З до приблизительно постоянной величины (если l_д = const) U_. Напряжение на дуге зависит от ее длины (см. формулу (1.9)) и состава газа в межэлектродном промежутке – при введении в столб дуги элементов с низким потенциалом ионизации (например, K, Na) напряжение на дуге уменьшается. Наоборот, введение в дугу элементов, имеющих высокий потенциал ионизации (например, F), приводит к увеличению U_ .

Рис. 2.2. Осциллограммы дуги переменного тока в цепи с активным (а)

и реактивным (б) сопротивлением:

U₂ и U_ – вторичное напряжение и напряжение дуги; I_ – ток дуги; U_З – напряжение зажигания; U_2m – амплитудное значение вторичного напряжения;  – угол сдвига по фазе между током I_ и напряжением U_2m

Текущее вторичное напряжение трансформатора U₂ (рис. 2.2, а) изменяется по синусоиде с частотой :

, (2.1)

где U_2m – амплитудное значение вторичного напряжения.

Ток в дуге появится (момент зажигания дуги), когда напряжение источника U₂ достигнет значения U_З, на осциллограмме (рис. 2.2, а) это соответствует точке t_З (время зажигания).

Время с момента, когда напряжение источника U₂ станет меньше напряжения дуги U_ (точка t_у) до перехода на нуль, назовем временем угасания t_у.

Тогда общее время перерыва в горении дуги равно

(2.2)

где ; (2.3)

. (2.4)

Из выражений (2.3) и (2.4) следует, что время перерывов в горении дуги t_п уменьшается:

• при увеличении вторичного напряжения трансформатора (U_2m);

• снижении напряжения зажигания (U_з) (за счет применения электродов с легкоионизирующими веществами, а также приборов, обеспечивающих высокочастотный пробой газового промежутка – осцилляторов);

• увеличении частоты напряжения (f) (применение специализированных источников повышенной частоты).

2.2.2. Дуга переменного тока в цепи с индуктивным сопротивлением

При наличии в сварочной цепи катушки индуктивности L (см. рис. 2.2, б) максимумы тока и напряжения, в отличие от цепи с активным сопротивлением, не совпадают во времени. Это несовпадение между током дуги и напряжением источника выражается величиной , называемой углом сдвига фаз. На рис. 2.2, б приведена осциллограмма напряжения и тока при горении дуги с индуктивным сопротивлением. Пренебрегая активным сопротивлением, текущее напряжение источника можно записать в виде

. (2.5)

Отсюда следует, что при t=0, вследствие опережения по фазе на угол  напряжение источника не равно нулю, как это было в предыдущем случае (см. рис. 2.2, а), а пропорционально sin

. (2.6а)

Напряжение на катушке индуктивности U_L равно разности U₂ и U_д (показано на рис. 2.2, б стрелками), оно пропорционально скорости изменения тока и величине индуктивности

. (2.6б)

Таким образом, при наличии в сварочной цепи катушки индуктивности зажигание дуги происходит в более благоприятных условиях, оно начинается не после перехода напряжения U₂ через нуль, как в случае на рис. 2.2, а, а в более поздний момент (см. рис. 2.2, б), когда напряжение трансформатора достигло U_З (напряжение зажигания дуги). Условие зажигания дуги в этом случае имеет вид

. (2.7)

Таким образом, катушка индуктивности благодаря подпитывающему действию ЭДС самоиндукции создает благоприятные условия для зажигания дуги при смене полярности.

Выполняя условие (1.24) равновесия системы «источник-дуга», запишем

. (2.8)

Здесь левая часть уравнения представляет собой мощность источника, подаваемую в систему «источник-дуга», а правая – мощность, расходуемую дугой.

Из решения уравнения (2.8) при U_д = const и выполнении требования (2.7) следует, что для горения дуги без перерывов, когда переход тока через нуль происходит в момент не ранее, чем , необходимо, чтобы напряжение на клеммах источника U₂ отвечало условию

. (2.9)

Из (2.9) следует, что для устойчивого горения дуги не переменном токе напряжение, подаваемое на дугу от трансформатора (U₂), определяется напряжением на дуге (U_д) и напряжением повторного зажигания (U₃). Эти параметры дуги, в основном, определяются ее длиной и химическим составом столба дуги. Чем больше U_д и U₃, тем выше должно быть напряжение на клеммах трансформатора (U₂).

Например, при использовании электродов марки АНО-4 с рутиловым покрытием, обладающим высокими стабилизирующими свойствами U_з  U_д   30 В, в соответствии с (2.9) напряжение трансформатора должно быть не ниже 40 В. В то время как при использовании электродов УОНИ-13/55 с фтористокальциевым покрытием, имеющим низкие стабилизирующие свойства, напряжение зажигания при U_д в три раза выше (U_з = 90 В). Поэтому напряжение холостого хода источника для сварки электродами УОНИ-13/55 должно быть не менее 72 В.

2.2.3. Дуга переменного тока в цепи с катушкой индуктивности

и конденсатором

Если в цепь переменного тока ввести конденсатор (емкость «С»), то напряжение будет отставать от тока по фазе на . Поэтому наибольший эффект в повышении стабильности дуги достигается при одновременном включении в сварочную цепь катушки индуктивности «L» и конденсатора «С» (см. рис. 2.1, в). При этом вторичное напряжение трансформатора U₂ уравновешивается падением напряжения на дуге U_д, катушке U_L и конденсатора U_С

. (2.10)

Напряжение на катушке индуктивности U_L опережает ток по фазе на , то есть облегчает зажигание дуги, а напряжение на конденсаторе U_С отстает от тока на , то есть уменьшает скорость угасания дуги при снижении напряжения источника. Таким образом, включение в сварочную цепь конденсатора способствует уменьшению времени охлаждения столба дуги, то есть повышает стабильность горения дуги.

2.3. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ

ОДНОФАЗНЫХ СВАРОЧНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Сварочные трансформаторы принадлежат к специальным видам однофазных понижающих силовых трансформаторов и имеют некоторые особенности, вытекающие из основных функций источника питания дуги (см. раздел 1.2). Для обеспечения надежного первичного и устойчивого повторного зажигания дуги необходимо, чтобы трансформатор имел падающую статическую вольт-амперную характеристику с высоким напряжением холостого хода во вторичной цепи (U_2Х – из соображений безопасности оно ограничивается величиной 80 В) и высокую скорость нарастания тока после короткого замыкания (динамическая характеристика).

Как уже отмечалось (см. 1.1.4), в процессе работы сварочного источника возможны три типовых режима: холостой ход, нагрузка, короткое замыкание.

Режим холостого хода возникает при разомкнутой цепи вторичной обмотки после подачи напряжения сети U₁ на первичную обмотку (рис. 2.3). При этом в первичной обмотке появляется ток холостого хода I_1Х , который создает магнитный поток Ф_О. Этот поток генерирует ЭДС (Е₁) в первичной обмотке и (Е₂) – во вторичной.

Магнитный поток Ф_О, создаваемый первичной обмоткой, не весь доходит до вторичной обмотки. Часть его – Ф_Р – поток рассеяния (рис. 2.3) рассеивается в зазоре между первичной и вторичной обмотками. То есть поток, пронизывающий вторичную обмотку, равен разности между общим потоком и потоком рассеяния:

(2.11)

Отношение напряжения холостого хода во вторичной обмотке U_2Х к первичному напряжению U₁ называется коэффициентом трансформации k_Т, или согласно (2.11):

, (2.12)

где отношение называется коэффициентом магнитной связи, ₂ и ₁ – число витков во вторичной и первичной обмотках.

Рис. 2.3. Работа трансформатора при холостом ходе

Из (2.12) следует, что напряжение холостого хода во вторичной обмотке равно

(2.13)

Для понижения первичного напряжения во вторичной обмотке до величины, необходимой для сварки, число витков вторичной обмотки в k_Т раз меньше, чем в первичной

Режим нагрузки возникает после замыкания цепи вторичной обмотки, в которой появляется ток I₂ = I_д , и вся вторичная ЭДС Е₂ расходуется на нагрузке (дуге):

Е₂ = U_д . (2.14)

Таким образом, в трансформаторе электрическая энергия сети посредством магнитопровода передается из первичной обмотки во вторичную, не имеющую непосредственной электрической связи с сетью.

При этом Р₁ = _тР₂ или U₁I₁=_тU₂I₂, (2.15)

где Р₁ и Р₂ - электрическая мощность, потребляемая трансформатором из сети, и мощность, расходуемая на нагрузку;

_т – КПД трансформатора (_т  0,95-0,98).

Потоки рассеяния наводят в обмотках трансформатора ток самоиндукции в противофазе и в противоположном направлении с индуцирующим током. Это обусловливает индуктивное сопротивление в цепях с переменным током. Иными словами, в обмотках трансформатора ток преодолевает активное электрическое сопротивление проводов R_т и индуктивное сопротивление обмоток Х_т. Общее индуктивное сопротивление трансформатора складывается из индуктивных сопротивлений первичной и вторичной обмоток:

Х_т = Х₁ + Х₂ .

В связи с большой разницей в величинах тока в первичной и вторичной цепях (ток в сварочной цепи I₂ в 5-10 раз больше тока первичной обмотки) можно считать, что индуктивное сопротивление трансформатора определяется в основном величиной индуктивного сопротивления вторичной цепи, т.е. Х_т  Х₂. Тогда

Х_т . (2.16)

Отсюда следует, что индуктивное сопротивление трансформатора при прочих равных условиях возрастает с увеличением потоков рассеяния Ф_Р.

Напряжение холостого хода во вторичной обмотке в режиме нагрузки расходуется на активном сопротивлении проводов R_т и сварочной дуги R_д, а также на индуктивном сопротивлении трансформатора. Согласно векторной диаграмме (рис. 2.4) напряжение холостого хода во вторичной обмотке равно

(2.17)

Рис. 2.4. Векторная диаграмма трансформатора в режиме нагрузки

Если пренебречь малым активным сопротивлением трансформатора (R_т 0), уравнение трансформатора в режиме нагрузки будет

. (2.18)

Отсюда . (2.18а)

В скалярной форме в соответствии с теоремой Пифагора из треугольника векторной диаграммы (рис. 2.4) получим

(2.19)

или (2.19а)

Уравнения (2.18) и (2.19) являются основными уравнениями, описывающими работу сварочного трансформатора.

Режим короткого замыкания возникает, когда электрод (при первичном зажигании дуги) или капля жидкого металла на конце электрода касаются свариваемой детали. При этом – ток короткого замыкания).

В соответствии с (2.18) или (2.19) напряжение холостого хода при коротком замыкании расходуется на индуктивное сопротивление трансформатора

откуда . (2.20)

2.4. ТИПЫ СВАРОЧНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Электромагнитная схема трансформатора характеризует конструкцию сердечника, взаимное расположение его обмоток и схему их включения. Эта схема определяет магнитную и электрическую связь и характер взаимодействия между обмотками.

В зависимости от величины коэффициента магнитной связи k_м, которая согласно формуле (2.16) зависит от величины потоков магнитного рассеяния различают два типа трансформаторов:

• трансформаторы с нормальным (малым) магнитным рассеянием;

• трансформаторы с искусственно увеличенным магнитным рассеянием.

В трансформаторах первого типа зазоры между первичной и вторичной обмотками минимальны, потери на рассеяние незначительны (Ф_Р 0). Поэтому в трансформаторах первого типа k_м  1, а в трансформаторах с увеличенным магнитным рассеянием k_м < 1.

2.4.1. Сварочные трансформаторы

с нормальным магнитным рассеянием

В трансформаторах этого типа потоки рассеяния малы, а индуктивное сопротивление трансформатора определяется только числом витков в его обмотках, см. формулу (2.16). Поэтому напряжение на вторичной обмотке таких трансформаторов мало зависит от нагрузки (потери вторичного напряжения при номинальном токе не превышают 5 % от напряжения холостого хода U_2Х). Трансформаторы с нормальным магнитным рассеянием имеют жесткую вольт-амперную характеристику. Это следует из (2.13), при k_  1

. (2.21)

Для получения падающей характеристики в дуговом промежутке в сварочную цепь последовательно с дугой включают реактивную катушку (дроссель), которая создает индуктивное сопротивление Х_др. Тогда в соответствии с (2.19) уравнение источника с дросселем будет иметь вид

(2.22)

или, если пренебречь малыми значениями сопротивления трансформатора ( ), формула (2.22) в скалярной форме примет вид

. (2.23)

Отсюда следует, что напряжение на клеммах источника (U_и) и на дуге (U_д) зависит от напряжения холостого хода (U_2X) и падения напряжения на индуктивном сопротивлении дросселя (I_дХ_др)

. (2.24)

Таким образом, падающая характеристика при использовании трансформаторов с нормальным магнитным рассеянием создается за счет падения напряжения на индуктивной (реактивной) катушке:

. (2.25)

Индуктивное сопротивление реактивной катушки (Х_др) является результатом возникновения в ней электродвижущей силы самоиндукции при протекании переменного тока:

. (2.26)

Отсюда следует, что величина индуктивного сопротивления реактивной катушки пропорциональна частоте тока (f), числу витков в катушке (_др) и обратно пропорциональна магнитному сопротивлению сердечника дросселя (R_др).

Дросселем называется устройство, обеспечивающее падающую вольт-амперную характеристику сварочного трансформатора с нормальным магнитным рассеянием и регулирование величины сварочного тока (I_д). Реактивная катушка дросселя включается в сварочную цепь последовательно с вторичной обмоткой трансформатора и сварочной дугой.

По способу регулирования величины индуктивного сопротивления (Х_др) дроссели подразделяются на дроссели с механическим и электрическим регулированием.

В дросселях с механическим регулированием плавное регулирование сварочного тока осуществляется изменением индуктивного сопротивления за счет изменения воздушного зазора в магнитопроводе (рис. 2.5). Для расширения диапазона регулирования сварочного тока применяют также ступенчатое регулирование за счет изменения числа витков в первичной или вторичной обмотках трансформатора.

Реактивная катушка дросселя может располагаться на отдельном (рис. 2.5, а) или на общем (рис. 2.5, б) с обмотками трансформатора магнитопроводе.

Рис. 2.5. Трансформаторы с механическим регулированием:

а) двухкорпусное и б) однокорпусное исполнение;

I, II и III – первичная, вторичная и реактивная обмотки;

П – подвижный пакет сердечника дросселя; S – зазор в сердечнике

От величины воздушного зазора «S» в сердечнике дросселя (рис. 2.5) зависит магнитное сопротивление сердечника дросселя на пути потока самоиндукции Ф_др. Чем больше этот зазор, тем больше магнитное сопротивление, тем меньше индуктивное сопротивление дросселя согласно формуле (2.26).

Приближенно можно считать, что магнитное сопротивление реактивной катушки прямо пропорционально воздушному зазору «S» в сердечнике дросселя (рис. 2.6):

. (2.27)

При минимальном зазоре (S  0) магнитное сопротивление сердечника на пути потока самоиндукции Ф_др будет минимальным, а индуктивное сопротивление дросселя (Х_др) согласно (2.26) – максимальным.

Рис. 2.6. Зависимость магнитного (R_др) и индуктивного (Х_др)

сопротивления дросселя от величины воздушного зазора (S) в сердечнике

При электрическом регулировании индуктивного сопротивления применяют дроссель насыщения (рис. 2.7). Он имеет магнитопровод броневого типа (2), обмотку управления (3), питающуюся от вспомогательного источника постоянного тока (4) и размещенную на центральном сердечнике. Для изменения величины управляющего тока (I_у) в цепь обмотки управления включен реостат (R). На крайних плечах магнитопровода размещены две последовательно соединенные рабочие обмотки (5,6), включенные в сварочную цепь последовательно с дугой. Принцип работы дросселя насыщения основан на взаимодействии магнитных потоков обмотки управления и рабочих обмоток.

При сварке сварочный ток I₂, протекая по рабочим обмоткам дросселя (5) и (6), создает два переменных магнитных потока Ф₅ и Ф₆, величина которых пропорциональна сварочному току, числу витков в обмотках и обратно пропорциональна магнитному сопротивлению сердечника R_:

. (2.28)

Магнитное сопротивление сердечника регулируется с помощью изменения величины тока I_у в обмотке управления. Если управляющая обмотка выключена (I_у = 0), магнитное сопротивление сердечника минимально, а потоки самоиндукции Ф₅ и Ф₆ максимальны и индуктивное сопротивление дросселя также максимально, так как

. (2.29)

Рис. 2.7. Сварочный трансформатор: 1 – с нормальным рассеянием и дросселем насыщения; 2 – магнитопровод дросселя насыщения;

3 – обмотка управления; 4 – источник постоянного тока; R – реостат;

5 и 6 – рабочие обмотки дросселя; Ф₅, Ф₆ и Ф_у – магнитные потоки

рабочих обмоток и обмотки управления

При включении обмотки управления в магнитопроводе (сердечнике) возникает постоянный магнитный поток управления Ф_у:

. (2.30)

Этот поток, насыщая железо сердечника, увеличивает его магнитное сопротивление, что согласно с (2.29) приводит к уменьшению индуктивного сопротивления дросселя. Регулируя величину тока в управляющей обмотке I_у, можно изменять величину индуктивного сопротивления дросселя в широком диапазоне (рис. 2.8).

Электрическое регулирование сварочного тока обладает важными достоинствами: плавность регулирования, компактность регулятора, возможность дистанционного и программного управления, отсутствие подвижных частей, что повышает надежность и долговечность дросселя. К недостаткам дросселя насыщения можно отнести большой расход трансформаторного железа и обмоточных проводов, а также относительную сложность конструкции.

Рис. 2.8. Зависимость индуктивного сопротивления дросселя Х_др

от величины управляющего тока I_у

Трансформаторы с нормальным магнитным рассеянием, в которых регулирование режимов сварки осуществляется с помощью дросселей, по массогабаритным характеристикам и сварочным свойствам уступают трансформаторам с увеличенным рассеянием, поэтому их производство сокращается.

2.4.2. Сварочные трансформаторы с увеличенным магнитным рассеянием

В отличие от трансформаторов с нормальным рассеянием, у которых потоки рассеяния минимальны (Ф_Р  0 см. рис. 2.3), большая часть сварочных трансформаторов специально разработана с увеличенным магнитным рассеянием. Это достигается размещением первичной и вторичной обмоток на значительном расстоянии друг от друга. Чем больше величина потоков рассеяния, тем меньше поток (Ф_О - Ф_Р), который передает электрическую энергию первичной обмотке через магнитопровод на вторичную обмотку (см. рис. 2.3). Напомним, что магнитную связь между первичной и вторичной обмотками оценивают величиной коэффициента магнитной связи k_м

. (2.31)

У сварочных трансформаторов с увеличенным рассеянием потоки рассеяния (Ф_Р) искусственно увеличены, поэтому для них k_ < 1. Эти потоки в собственной (первичной) обмотке наводят ЭДС самоиндукции, создавая индуктивное сопротивление, а вторичной обмотке энергию не передают.

В трансформаторах с увеличенным рассеянием велико индуктивное сопротивление, что в соответствии с формулами (2.18а) и (2.19а) позволяет формировать падающую характеристику и регулировать режимы без дополнительных устройств (резистора, дросселя и др.).

. (2.32)

Из этой формулы следует, что индуктивное сопротивление трансформатора можно изменять с помощью регулирования величины потоков рассеяния Ф_Р. При увеличении Ф_Р знаменатель в формуле (2.32) уменьшается и, следовательно, индуктивное сопротивление Х_Т возрастает.

В настоящее время величину потоков рассеяния регулируют следующими способами:

• изменением расстояния между первичной и вторичной обмотками (трансформаторы с подвижными обмотками);

• изменением магнитного сопротивления шунта на пути потоков рассеяния (трансформаторы с магнитным шунтом).

К онструктивная схема трансформатора с подвижными обмотками показана на рис. 2.9.

Рис. 2.9. Конструктивная схема трансформатора

с подвижными обмотками

На стержневом магнитопроводе 3 размещены цилиндрические первичная 1 и вторичная 2 обмотки. Каждая обмотка разбита на две катушки, которые для ступенчатого регулирования могут соединяться друг с другом последовательно (диапазон малых токов) или параллельно (диапазон больших токов). Подвижная обмотка (обычно вторичная) перемещается винтовым приводом 4, при этом изменяется расстояние  между первичной и вторичной обмотками. Основной поток трансформатора Ф_О замыкается по магнитопроводу, поток рассеяния Ф_Р – по воздуху в пространстве между первичной и вторичной обмотками. Очевидно, чем ближе друг к другу первичная и вторичная обмотки (чем меньше ), тем меньше потоки рассеяния Ф_Р, замыкающиеся по воздуху. С увеличением зазора  возрастают потоки рассеяния, а это, как было сказано выше, согласно формуле (2.32) приводит к увеличению индуктивного сопротивления трансформатора. Приближенно можно считать, что индуктивное сопротивление трансформатора пропорционально зазору :

. (2.33)

На рис. 2.10 и 2.11 представлены регулировочные и внешние характеристики трансформатора с подвижными обмотками.

Рис. 2.10. Зависимость индуктивного сопротивления трансформатора X_T и тока в сварочной цепи от зазора между обмотками 

Регулирование сварочного тока у трансформатора с подвижными обмотками осуществляется плавно за счет изменения его индуктивного сопротивления (рис. 2.10) и ступенчато – переключением катушек параллельно или последовательно.

При параллельном соединении катушек трансформатор имеет небольшое индуктивное сопротивление (см. рис. 2.10, а) и напряжение холостого хода U_2X  60 В (рис. 2.11). Последовательное соединение катушек резко увеличивает индуктивное сопротивление трансформатора, повышает напряжение холостого хода до 80 В и обеспечивает получение крутопадающей ВАХ (рис. 2.10 и 2.11). Повышение напряжения холостого хода благоприятно отражается на устойчивости процесса сварки на малых токах.

Рис. 2.11. Внешние характеристики трансформатора

с подвижными обмотками:

1 – параллельное соединение катушек (диапазон больших токов);

2 – последовательное соединение катушек (диапазон малых токов)

Достоинства и недостатки трансформаторов с подвижными обмотками обусловлены особенностями их конструкции и электрических характеристик. Недостатком этих трансформаторов является сильная вибрация подвижных частей – обоймы с обмотками и винтового привода, что ограничивает срок их службы. Кроме того, при механическом регулировании трудно обеспечить дистанционное и программное управление режимом сварки, невозможна стабилизация тока и напряжения.

Однако, несмотря на эти недостатки, трансформаторы с подвижными обмотками получили самое широкое распространение в нашей стране как основной источник питания для ручной дуговой сварки из-за малого расхода активных материалов, лучших, чем у трансформатора с дросселем, сварочных характеристик (легкое возбуждение и стабильное горение дуги, малое разбрызгивание электродного металла, большая разрывная длина дуги и др.), простоты и дешевизны.

Трансформатор с подвижным магнитным шунтом. Такой трансформатор имеет неподвижные первичную 1 и вторичную 2 обмотки (рис. 2.12), стержневой магнитопровод 3 и подвижный магнитный шунт 4.

Рис. 2.12. Конструктивная схема трансформатора

с подвижным магнитным шунтом

Каждая обмотка имеет по две катушки, размещенные на разных стержнях. Поток рассеяния Ф_Р замыкается через магнитный шунт. Магнитный шунт состоит из двух половин, сближающихся или удаляющихся друг от друга с помощью винтового привода 5. При увеличении расстояния  между половинами шунта уменьшается площадь S_ш (на рис. 2.12 она заштрихована), по которой замыкается поток рассеяния Ф_Р. Уменьшение площади S_ш приводит к уменьшению потока рассеяния, при этом индуктивное сопротивление трансформатора снижается, а величина сварочного тока возрастает. Изменение величины потоков рассеяния с помощью подвижного магнитного шунта обеспечивает плавное регулирование режима работы трансформатора. Ступенчатое регулирование, как и в трансформаторе с подвижными обмотками, осуществляется переключением обмоток на параллельное или последовательное соединение.

Трансформаторы с подвижным магнитным шунтом практически не уступают трансформаторам с подвижными обмотками ни по сварочным свойствам, ни по массогабаритным характеристикам, ни по технико-экономическим показателям.

Трансформатор с подмагничиваемым шунтом.

Трансформатор (рис. 2.13) имеет стержневой магнитопровод 3 и неподвижный шунт 4 также стержневого типа. Магнитное сопротивление шунта регулируется с помощью обмотки управления 5, питаемой постоянным током от источника 6.

Рис. 2.13. Конструктивная схема трансформатора

с подмагничиваемым шунтом:

1 и 2 – первичная и вторичная обмотки; 3 – сердечник трансформатора;

4 – подмагничиваемый шунт: 5 – обмотка управления;

6 – источник питания обмотки управления

Падающая характеристика у такого трансформатора получается за счет увеличенного рассеяния, вызванного большим расстоянием между первичной и вторичной обмотками и наличием магнитного шунта.

Основной способ регулирования режима заключается в изменении индуктивного сопротивления трансформатора путем изменения магнитного сопротивления шунта. Например, увеличение тока I_у в обмотке управления, как и в случае работы трансформатора с дросселем насыщения, приведет к увеличению магнитного сопротивления шунта R_, что согласно формуле (2.29) вызовет уменьшение индуктивного сопротивления трансформатора и увеличение сварочного тока.

Регулирование режима трансформатора с подмагничиваемым шунтом плавно осуществляется путем изменения тока I_у в обмотке управления, а ступенчато – переключением обмоток трансформатора на последовательное или параллельное соединение.

Главное достоинство такого трансформатора, по сравнению с трансформатором с механическим регулированием – отсутствие подвижных частей, что обеспечивает его более высокую надежность. Кроме того, он обладает малой инерционностью, простотой для программного и дистанционного управления. При обратной зависимости управляющего тока от напряжения в первичной обмотке такой трансформатор хорошо стабилизирует режим сварки при колебаниях напряжения в питающей сети, что очень важно при механизированной сварке протяженных швов.