Каждому значению вектора тока/2...../1 соответствует определенное значение вектора напряжения дуги t/д...... Взяв численные

значения этих векторов и перенеся их в координатную систему, по оси ординат которой отложены напряжения C/j, а по оси абсцисс - токи /j, получим внешнюю характеристику трансформатора 4, соответствующую его некоторому индуктивному сопротивлению х. Для наглядности внешняя характеристика построена в свободном втором квадранте системы координат. Техника построения внешней характеристики видна из рис. 2.4 (см. точку t/д", /2").

Кривая 5 является внешней характеристикой идеального трансформатора, у которого г = 0. Очевидно, что внешней характеристике такого трансформатора соответствует уравнение эллипса с полуосями t20, /ко> и зависимость тока /2 от напряжения дуги С/д выражается соотношением

/2=/koV1- (t/«/f/20).

На рис. 2.4 показаны точки 6-8, полученные по уравнению /2 =/koVi- 1.17(6/д/с/2о) .

Поправочный коэффициент 1,17 [20] учитывает, что при построении векторных и круговых диаграмм фактическое напряжение на дуге было заменено эквивалентной синусоидой.

Отметим, что внешняя характеристика, построенная на рис. 2.4, по форме идентична для любых конструкций трансформатора. При этом у трансформаторов с нормальным рассеянием, где номинальный ток 2ном составляет 7-12% от тока /jk, внешняя характеристика в зоне рабочих токов является жесткой. У трансформаторов с увеличенным рассеянием, где номинальный ток может составлять до 80% от /зк, внешняя характеристика является падающей.

Регулирование тока в трансформаторах с механическим регулированием связано с изменением значения индуктивного сопротивления. Каждому значению х соответствует своя внешняя характеристика. В трансформаторах с электрическим регулированием внешняя характеристика является предельной естественной внешней характеристикой. Внутри зоны, ограниченной этой характеристикой, регулирование тока и формирование требуемых автоматических внешних характеристик источника производятся при помощи тиристорного или подмагничи-ваемого регулятора.

2.2. ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ

К источникам тока с механическим регулированием относятся трансформаторы с подвижньпии обмотками, трансформаторы с подвижными магнитными шунтами и трансформаторы, работающие в комплекте с дополнительной реактивной катуцпсой-дросселем. Трансфор-

маторы с подвижными обмотками и шунтами относятся к группе трансформаторов с увеличенным (развитым) электромагнитным рассеянием. Трансформаторы, работающие в комплекте с дросселями, вьшолняются обычно с минимальным (нормальным) рассеянием.

Основной признак этой группы источников - наличие подвижных частей - является и основным ее недостатком. На подвижные части регулируюцдах устройств действуют электромагнитные силы, пульсирующие от нуля до максимума с двойной частотой сети; значение этих сил пропорционально квадрату тока и изменяется с изменением режима работы трансформатора. Электромагнитные силы вызывают вибрацию подвижных частей регулирующих устройств. Амплитуды колебаний зависят от массы подвижных частей, точности и качества сборки, жесткости крепления и других факторов. Даже при хорошей проработке конструкций и высоком качестве изготовления повышенные вибрадаи являются основной причиной, ограничивающей срок службы подобных источников.

Другим недостатком этих источников является инерционность регулирования и трудность осуществления дистанционного и программного управления, так как регулирование здесь производится вручную или при помощи сервоприводов.

Однако, несмотря на отмеченные недостатки, эти трансформаторы получили самое цшрокое распространение во всем мире как основной источник питания для ручной дуговой сварки штучными электродами из-за малого расхода активных материалов, высоких энергетических и сварочных показателей, простоты и дешевизны конструкций. До настоящего времени в ряде стран (Япония, ФРГ и др.) такие трансформаторы вьшускаются и для автоматической сварки под флюсом. Однако в последние годы из-за ряда отмеченных недостатков, затрудняющих вьшолнение автоматической сварки, наметилась их замена более совершенными конструкциями.

2.3. ТРАНСФОРМАТОРЫ С ПОДВИЖНЫМИ ОБМОТКАМИ

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 дисковьпии.

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

Одна из обмоток трансформатора, обычно первичная, вьшолняется 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 между 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).

Когда подвижные шунты 5 совмешают 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]. HoFTOMy 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 первнчньпии н вторичными обмотками является основной как для трансформатора с магнитными шунтами, подвижными и управляемыми постоянным током, так и для ряда источников с тирис-торным 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 между обмотками изменяется по линейному закону и, следовательно, сварочный ток изменяется обратно пропорционально расстоянию между обмотками. При большом раздвиженин обмоток эффективность регулирования тока снижается при непрерьшном росте массы магнитопровода. Поэтому большой диапазон плавного регулирования в трансформаторах с подвижными обмотками нецелесообразен.

Для расишрения 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 I2 =f (I) •

Необходимым условием плавно-ступенчатого регулирования является стьжовка 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, а соответствуют параллельному или последовательному соединению катушек обмоток на разных стержнях. При этом напряжение холостого хода не изменяется, а индуктивное сопротивление обмоток изменяется в четьфе раза. Регулировочные характеристики этого трансформатора для двух ступеней регулирования приведены на рис. 2.6, г (кривые 1 и 2). Чтобы получить стьжовку между двумя диапазонами токов в этом трансформаторе, необходимо иметь кратность регулирования не менее 1

Сеть а о 2 о

Рис. 2.6. Схемы трансформаторов с плавно-ступенчатым регулированием {а, 6, в) и регулировочные характеристики трансформаторов (г)

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 парашхельного их соединения на последовательное. Напряжение холостого хода в диапазоне малых токов повышается, что благоприятно сказьшается на стабильности горения дуги. На рис. 2.6, г регулировочные характеристики I и 3 соответствуют схеме трансформатора с частичным отключением витков.

Чтобы получить перекрьггие ступеней токов, достаточно раздвигать обмотки на расстояние ?2. а не на ii, 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, замьпсающегося 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 индуктивньпй сопротивлением трансформатора.

Максимальному сварочному току соответствует минимальное индуктивное сопротивление х-цу (обмотки полностью сдвинуты), минимальному сварочному току - максимальное хах (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 (Ф1 л, зл)» поля рассеяния в окне трансформатора в зоне катушек (Фюк. *2ok) и поля рассеяния в зазоре между обмотками Фок- Поле Фок уже при небольшом расстоянии от обмоток с большэй степенью точности может быть представлено как плоскопараллельное поле, при этом можно считать, что магнитные силовые линии поля замьжаются по воздуху между стержнями магнитной системы в плоскостях, перпендикулярных осям стержней.

Магнитная проводимость X при ц - 1 между стержнями магнитной системы, отнесенная к единице длины, определяется экспериментально и может бьггь представлена эмпирической зависимостью

Х= 1,5 + 1,2

где b - размер магнитопровода в направлении набора; - ширина окна магнитопровода.

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

ОК Х

Составляющие и не зависят от расстояния между обмотками и соответствуют магнитному полю в окне трансформатора (Фюк- *2ok) и в лобовых частях (Ф1л, Фгл) при полностью сдвинутых обмотках ( = 0). Составляющая х соответствует магнитному полю в окне трансформатора в зазоре между обмотками и связана с расстоянием между обмотками I прямо пропорщюнальной зависимостью.

Ниже приводятся формулы для расчета индуктивного сопротивления рассеяния, отнесенного ко вторичным обмоткам с числом витков W2 [22]. Формулы получены в предположении, что магнитная проницаемость магнитопровода бесконечна, отсутствует демпфирующее влияние вихревых токов, ток в витках распределен равномерно.

Индуктивное сопротивление