Сварочные трансформаторы

Содержание:

  1. Введение
  2. Особенность работы сварочных трансформаторов
  3. Принцип действия, устройство и основные типы сварочных трансформаторов
  4. Маркировка сварочных трансформаторов
  5. Характеристики паспортные данные
  1. Введение

Сварочный трансформатортрансформатор, предназначенный для питания установок электрической сварки. (ГОСТ 16110-82)

Сварочный трансформатор (далее — СТ) преобразует напряжение питающей сети снижая его величину в разы, кратно повышая при этом величину выходного тока до тысяч ампер, необходимых, что бы обеспечить плавление свариваемого металла.

Ключевым отличием сварочных трансформаторов от трансформаторов других типов является их, так называемая, крутопадающая вольт-амперная характеристика:

жесткая и падающая вольт-амперные характеристики

Как видно из графиков выше у СТ обладающих падающей вольт-амперной характеристикой при повышении тока (т.е. в момент зажигания сварочной электрической дуги) резко снижается выходное (сварочное) напряжение, в отличие от обычного трансформатора, напряжение которого снижается плавно. Такая особенность СТ позволяет обеспечить стабильность горения электрической дуги, а так же возможность его работы в режиме короткого замыкания, который является критическим для обычных трансформаторов.

  1. Особенность работы сварочных трансформаторов

Самым распространённым способом сварки металлов плавлением является электродуговая сварка. Электрической дугой обычно называют мощный длительный электрический разряд в среде ионизированных газов между электродами, находящимися под напряжением. При этом выделяется большое количество тепла. Газ в дуговом промежутке нагревается до температуры 5000-7000°С и находится в состоянии плазмы. Строение сварочного процесса на переменном токе показано на рисунке ниже.

процесс электродуговой сварки

Как уже было написано выше источником тока для электрической дуги служит сварочный трансформатор. При работе СТ происходят частые переходы режимов его работы от холостого хода (в момент когда дуга гаснет) к короткому замыканию (при зажигании и горении дуги). А значит, сварочный трансформатор должен иметь особые рабочие свойства, отличающие его от обычных силовых трансформаторов.

Эти свойства определяются внешней вольт-амперной характеристикой (ВАХ) сварочного трансформатора (источника тока). Внешняя характеристика источника тока показывает зависимость напряжения на зажимах источника питания от тока нагрузки (сварочной дуги). Она должна отвечать особенностям статической вольт-амперной характе­ристики сварочной дуги.

Примерный вид внешней падающей ВАХ источника тока и ВАХ сварочной дуги показан на рисунке ниже.

вольт-амперная характеристика сварочной дуги

Сварочный трансформатор понижает напряжение сети до величины необходимой для зажигания сварочной дуги и вместе с тем, до безопасного значения для работающего человека — это 60-80В (напряжение холостого хода). Кроме этого он выполняет задачу гальванической развязки между сварочной цепью и напряжением сети, то есть электрически отделяет цепь сварочного тока от сети питающей сварочный трансформатор, связь между ними осуществляется только за счет электромагнитной индукции, что в свою очередь исключает возможность поражения человека сварочным током.

Как уже было написано выше, величина напряжения холостого хода у СТ ограничивается на уровне 60-80В. При этом напряжение холостого хода должно быть не менее чем в 1,8-2,5 раза, больше напряжения дуги, а сила тока короткого замыкания (Iкз) не должна превышать удвоенного значения сварочного тока (Iсв), при этом изменения сварочного тока должны быть минимальными. Этим условиям отвечает внешняя крутопадающая характеристика СТ.

Величина напряжения холостого хода у СТ ограничивается безопасной величиной, которое устанавливается на уровне 60-80 Вольт. Но напряжение холостого хода должно быть не менее чем в 1,8-2,5 раза, больше напряжения дуги, а сила тока короткого замыкания (Iкз) не должна превышать удвоенного значения сварочного тока (Iсв), при этом изменения сварочного тока должны быть минимальными. Этим условиям отвечает внешняя крутопадающая характеристика СТ.

В установившемся режиме процесс горения дуги определяется статическими характеристиками источника тока и сварочной дуги. На вольт-амперных характеристиках, это точка пересечения кривых, как на рисунке ниже.

ВАХ установившегося режима горения дуги

При ручной дуговой сварке процесс протекает на токах, соответствующих горизонтальному участку вольт-амперной характеристики сварочной дуги, а напряжение источника тока снижается до необходимого уровня. Значение рабочего напряжения (Uсв) СТ, округлённое  до  ближайшего целого числа в вольтах, определяется величиной сварочного тока Iсв:

если Iсв до 600A:  Uсв  = (20 + 0,04 Iсв) В,

если Iсв более 600А:  Uсв= 44В,

где: Iсв — сварочный ток, А; Uсв – напряжение сварочной дуги, В.

Сварочные трансформаторы могут иметь внешнюю характеристику трёх видов: возрастающую, жесткую и падающую. Источники питания для ручной дуговой сварки имеют падающую вольт-амперную характеристику.

виды вольт-амперных характеристик сварочных ттрансформаторов

Сварочные трансформаторы для ручной дуговой сварки, как правило, формируют крутопадающую внешнюю ВАХ в диапазоне малых токови пологопадающую внешнюю ВАХ в диапазоне больших токов.

  1. Принцип действия, устройство и основные типы сварочных трансформаторов

Принцип действия СТ подобен обычным силовым трансформаторам, хотя и со своими особенностями, необходимыми для получения падающей ВАХ.

Сварочный трансформатор состоит из двух основных частей – дросселя и понижающего трансформатора который содержит две электрически несвязанные между собой обмотки расположенные на общем замкнутом магнитопроводе, одна из которых подключается к источнику переменного тока U1 и называется первичной обмоткой (W1), а к другой обмотке, с пониженным напряжением U2, подключается нагрузка. Эта обмотка называется вторичной обмоткой (W2).

Ниже приведена общая схема устройства сварочного аппарата.

общее устройство сварочного трансформатора

Дроссель служит для регулирования сварочного тока путем изменения воздушного зазора δ. Чем больше воздушный зазор, тем меньше  индуктивность дросселя, следовательно, больше ток, протекающий во вторичной цепи.

При холостом ходе, когда ток во вторичной обмотке I2=0, напряжение на вторичной обмотке W2 максимально: U2=60-80В. После зажигания дуги напряжение падает до 20-30 В, в зависимости от типа аппарата.

Все сварочные трансформаторы можно классифицировать по следующим признакам:

  • По характеру устройства магнитного сердечника различают трансформаторы броневого и стержневого типов.

броневой и стержневой типы магнитопроводов

Трансформаторы стержневого типа, по сравнению с трансформаторами броневого типа, имеют более высокий КПД и допускают большие плотности токов в обмотках. Поэтому сварочные трансформаторы обычно, за редким исключением, бывают стержневого типа.

Кроме того, магнитопровод стержневого типа позволяет разнести первичную и вторичную обмотки на большее расстояние, что приводит к увеличению магнитного рассеяния и созданию условий для получения падающей внешней характеристики источника питания. Тогда как у трансформаторов с магнитопроводом броневого типа малое (нормальное) магнитное рассеивание, что приводит к получению жёсткой внешней характеристики, когда напряжение на вторичной обмотке уменьшается с ростом тока очень незначительно. К примеру для силовых трансформаторов это хорошо, но совсем не подходит для СТ, где в условиях крутопадающей ВАХ, напряжение должно значительно уменьшаться с ростом тока дуги. Этим обеспечивается нормальная работа СТ при коротких замыканиях, т.е. при зажигании и горении дуги.

  • По характеру устройства обмоток различают трансформаторы с цилиндрическими, разнесёнными и дисковыми обмотками, как на рисунке ниже: I – первичная обмотка, II – вторичная обмотка.

виды обмоток сварочных трансформаторов

В трансформаторах с цилиндрическими обмотками — одна обмотка намотана поверх другой. Так как обмотки находятся на минимальном расстоянии друг от друга, то практически весь магнитный поток первичной обмоткой сцепляется с витками вторичной обмотки. Концентрическое расположение обмоток обеспечивает малое (нормальное) магнитное рассеяние. В силу этого такой трансформатор имеет жесткую внешнюю вольт-амперную характеристику и не может обеспечить стабильное, зажигание и горение сварочной дуги при ручной сварке покрытыми электродами.

В трансформаторах с разнесёнными обмотками — первичная и вторичная обмотки находятся на различных стержнях трансформатора. Так как обмотки удалены друг от друга, то значительная часть магнитного потока первичной обмотки не связана с вторичной обмоткой. У таких трансформаторов увеличенное магнитное рассеяние. Трансформатор с разнесенными обмотками имеет необходимую падающую внешнюю характеристику, где рабочий ток составляет примерно 80% от тока короткого замыкания.

В трансформаторах с дисковыми обмотками — первичная и вторичная обмотки также удалены друг от друга, но на меньшее расстояние, по сравнению с трансформаторами, имеющими разнесенные обмотки. Поэтому, по величине индуктивности рассеяния, трансформаторы с дисковыми обмотками занимают промежуточное положение. У таких трансформаторов также увеличенное магнитное рассеяние. Они имеют падающую внешнюю характеристику, но их рабочий ток составляет примерно 50% от тока короткого замыкания, т.е. рабочий ток примерно в два раза меньше тока короткого замыкания, что хорошо согласуется с требованиями для ручной дуговой сварки.

  • По устройству регулировки сварочного тока:
  • трансформаторы с индуктивным сопротивлением;
  • трансформаторы с дросселем в отдельном корпусе;
  • трансформаторы с дросселем в едином корпусе;
  • трансформаторы с подвижным магнитным шунтом;
  • трансформаторы с подвижными катушками.

Сварочный трансформатор с индуктивным сопротивлением

В трансформаторах с цилиндрическими обмотками, имеющими малое магнитное рассеяние, для получения падающей внешней характеристики, обеспечивающей стабильность зажигания и горения дуги, трансформатор должен иметь в комплекте дополнительное устройство — дроссель (реактивную катушку) XL, который имеет большое индуктивное сопротивление, как на рисунке ниже.

схема сварочного трансформатора с индуктивным сопротивлением

Для плавной регулировки сварочного тока дроссель представляет собой регулируемое индуктивное сопротивление, включаемое в сварочную цепь последовательно с вторичной обмоткой трансформатораW2. Дроссель обеспечивает падающую зависимость между напряжением источника и током дуги, и дает возможность регулировать сварочный ток изменением величины реактивного сопротивления ХL.

В этом случае ток короткого замыкания можно найти по формуле:

Iкз= Uxx/ХL,

где Uхх – напряжение холостого хода СТ (без нагрузки), ХLсопротивление дросселя.

Для ступенчатой регулировки сварочного тока обмотку дросселя можно делать с отводами, а затем эти отводы переключать, как показано на вставке рисунка выше.

Это технологически наиболее простые варианты получения падающей внешней характеристики источника питания. Но значительное индуктивное сопротивление сварочного трансформатора ведёт к снижению его коэффициента мощности cosф, который обычно не превышает 0,4-0,5.Несмотря на столь низкий коэффициент мощности, для сварки переменным током до сих пор используются СТ с дросселем (балластным реостатом).

Недостатком дроссельного регулятора сварочного тока являются небольшой диапазон регулирования тока.

Сварочный трансформатор с дросселем в отдельном корпусе

 В трансформаторах с разнесёнными обмотками увеличенное магнитное рассеяние. В этом случае СТ имеет дроссель с дополнительной обмоткой W3 и конструктивно выполняется либо в виде двух раздельных аппаратов, либо в виде единого корпуса.

Сварочные аппараты с отдельным дросселем состоят из понижающего  трансформатора  и внешнего дросселя — регулятора  тока.

Сердечник дросселя набран из пластин тонкой трансформаторной стали и состоит из двух частей: неподвижной, на которой расположена обмотка  дросселя W3,  и  подвижной,  перемещаемой  с  помощью  винта. Последовательно вторичной обмотке W2 трансформатора, в сварочную цепь включена обмотка дросселя W3.

схема сварочного трансформатора с разнесенными обмотками

Регулировка сварочного тока осуществляется изменением величины воздушного зазора в магнитопроводе дросселя. Сварочный ток пропорционален величине воздушного зазора. При увеличении воздушного зазора индуктивное сопротивление дросселя уменьшается, а сварочный ток возрастает. Если воздушный зазор исключить вовсе, то дроссель берет на себя роль катушки, и тогда величина тока примет минимальную величину. Такое регулирование сварочного тока позволяет настраивать режим сварки плавно и с достаточной точностью.

Ниже приведено схематичное устройство сварочного аппарата с дросселем в отдельном корпусе.

устройство сварочного трансформатора с дросселем в отдельном корпусе

Сейчас трансформаторы с дросселем в отдельном корпусе сняты с производства и заменены устройствами в однокорпусном варианте, с аналогичным принципом действия.

Сварочный трансформатор с дросселем в едином корпусе

В сварочных аппаратах со встроенным дросселем добавочный магнитопровод расположен над основным магнитопроводом трансформатора. Такой аппарат конструктивно выполнен в одном корпусе.Дроссель состоит из неподвижной и подвижной частей, между которыми есть регулируемый воздушный зазор.

схема сварочного трансформатора с дросселем в едином корпусе

Регулировка тока аналогична схеме представленной выше, чем больше зазор, тем больше сварочный ток.

Ниже приведено схематичное устройство сварочного аппарата с дросселем в едином корпусе.

устройство сварочного трансформатора с дросселем в едином корпусе

Недостатками здесь являются значительный вес, габариты, сложность в работе по получению качественного сварного шва, значительное энергопотребление, но имеются и достоинства: данная конструкция сварочного аппарата позволяет плавно регулировать сварочный ток, он исключительно надежен в работе и относительно недорог. Это часто является решающим фактором для потребителя.

Сварочный трансформатор с подвижным магнитным шунтом

Так же у трансформаторов с увеличенным магнитным рассеянием, сварочный ток может плавно меняться с помощью подвижных секций магнитопроводов, называемых магнитными шунтами. Такие трансформаторы имеют на каждом сердечнике по одной обмотке W1 и W2, между которыми, в специальном канале, располагается шунт. Между шунтом и стержнями сердечника имеется воздушный зазор, который может изменяться при перемещении подвижного магнитного шунта.

устройство сварочного трансформатора с подвижным шунтом

При введении магнитного шунта в магнитопровод трансформатора (уменьшение воздушного зазора) часть магнитного потока, создаваемого первичной обмоткой, отводится магнитным шунтом и поэтому эта часть магнитного потока минует вторичную обмотку. При этом эффективность передачи энергии от первичной обмотки к вторичной снижается (индуктивное сопротивление трансформатора увеличивается) и ток сварки уменьшается. Этот способ обеспечивает плавное регулирование тока сварки.

К достоинствам сварочного аппарата можно отнести плавность регулировки сварочного тока, простоту конструкции, надёжность, сравнительно невысокую цену, а так же неприхотливость к окружающим условиям.

В недостатках можно отметить сравнительно низкий КПД (до 80%), большой вес и габариты, ограничение на материалы, с которыми могут производиться сварочные работы.

Сварочный трансформатор с подвижными катушками

В трансформаторах с дисковыми обмотками, как уже говорилось, увеличенное магнитное рассеяние.

Трансформатор имеет магнитопровод в виде удлинённых стержней, на которых расположено по две пары катушек: одна пара с первичной обмоткой, а вторая пара с вторичной обмоткой. Для расширения пределов регулирования сварочного тока в трансформаторах предусмотрено переключение на режимы малых или больших токов. Параллельное соединение катушек вторичной обмотки обеспечивает работу в режиме больших токов. Последовательное соединение катушек вторичной обмотки обеспечивает работу в режиме малых токов. Такое переключение является дополнительной возможностью ступенчатого регулирования сварочного тока. В пределах каждого режима возможно плавное регулирование сварочного тока. Ниже приведена схема трансформатора с подвижными катушками.

устройство сварочного трансформатора с подвижными катушками

Первичные катушки закреплены неподвижно. Катушки вторичных обмоток перемещаются винтовым механизмом вручную. Плавное регулирование сварочного тока осуществляется путем изменения расстояния между катушками первичных и вторичных обмоток трансформатора. С уменьшением расстояния между катушками, индуктивное сопротивление сварочной цепи уменьшается, а сварочный ток увеличивается и наоборот. В первичной цепи параллельно обмотке включается конденсатор С, повышающий коэффициент мощности (соsф).

Основная масса сварочных трансформаторов переменного тока выполнена на основе трансформаторов с дисковыми подвижными обмотками. Преимущество таких СТ в простоте конструкции без дорогих деталей, а значит более доступная стоимость как самого оборудования так и его ремонта.Они имеют определенные достоинства по диапазонам и плавности регулирования сварочного тока. Хотя достаточно громоздки и тяжелы. Для их перемещения используются встроенные колёсики.

  1. Маркировка сварочных трансформаторов

В условном обозначении источников питания принята опреде­ленная система. Полное условное обозначение состоит из буквен­ных и цифровых индексов.

1) Первая буква указывает тип источника питания:

Т — трансформатор, Г — генератор, А — агрегат, В — выпрямитель, У -специализированный источник-установка;

2) Вторая буква обозначает вид сварки:

Д — дуговая, П — плазменная;

3) Третья буква — способ сварки:

Ф — под слоем флюса, Г — в среде защитных газов, У — универсальный источник питания для не­скольких способов сварки. Отсутствие буквы на третьем месте соответствует ручной сварке покрытыми электродами;

4) Четвёртая буква–способ регулирования сварочного тока:

М – механический, Э – электрический;

5) Пятая буква –количество постов сварки:

М –для многопостовой сварки (без обозначения говорит об одном посте);

6) Две последующие цифры — номинальный сварочный ток:

округленно в десятках Ампер;

7) Последние одна или две цифры:

обозначают регистрационный номер в разработке;

8) Следующая буква(или две) означает климатическое исполнение СТ:

ХЛ – для холодного климата, У — для умеренного климата, Т- для тропического климата;

9) Последняя цифра указывает категорию размещения источника питания:

1 — для работы на открытом воздухе, 2 -в помещениях со свободным доступом наружного воздуха,3 — в закрытых помещениях, 4 –закрытых помещениях с искусственным микроклиматом, 5 – в по­мещениях с повышенной влажностью.

К примеру, расшифруем структурное обозначение (маркировку) сварочного трансформатора ТДМ-401У2:

расшифровка маркировки трансформатора ТДМ

  1. Характеристики и паспортные данные источников питания

К основным параметрам сварочных трансформаторов относятся:

1) Номинальное напряжение питающей сети Uном, В:

Требуемое для работы сварочного трансформатора напряжение. Как правило составляет 220В или 380В.

2) Номинальный сварочный ток Iсв, А:

Номинальный сварочный ток — максимальный сварочный ток в нормальном (не аварийном) режиме работы СТ.

3) Пределы регулирования сварочного тока А:

Диапазон регулировки силы тока обеспечивающий работу с тонкими электродами и деталями при малом токе, и достаточно толстыми электродами для сваривания массивных деталей при большом токе.

4) Предельное значение напряжения холостого хода Uхх, В:

Напряжение на вторичной обмотке СТ без нагрузки. Эта характеристика отвечает за легкость появления сварочной дуги. Чем выше будет напряжение, тем легче появится дуга. Но оно ограничивается величиной 60-80В для обеспечения безопасности сварщика.

5) Номинальное рабочее напряжение Uраб, В:

Напряжение, которое необходимо для поддержания стабильного горения дуги. Также от этого параметра зависит возможность сварки металла определенной толщины. Напряжение дуги во время работы составляет около 20-30В.

6) Максимальная мощность S, кВ-А:

От значения этого параметра зависит максимальная величина рабочего тока СТ, а значит и толщина свариваемых деталей.

7) Номинальный режим работы — продолжительность нагрузки ПН, %

ПН определяется отношением времени сварки к сумме времени сварки и времени холостого хода и выражается в %:

ПН=tсв/(tсв+txx)×100%.

ПН промышленных СТ для ручной дуговой сварки обычно составляет 60% на номинальном токе (например, 6мин – работа, 4мин – пауза).

8) Номинальная частота питающей сети ƒном, Гц:

Номинальная частота напряжения питающей сети (составляет 50 Гц.)

Эти паспортные данные наносятся на металлическую пластину, которая называется табличкой, и закрепляется на видном месте СТ. Маркировкаизделиядолжнасодержатьосновные (обязательные) и дополнительные данные, характеризующие изделие. Маркировка выполняется согласно ГОСТу 18620-86. Рассмотрим, например,табличку СТ ТДМ-401У2:

табличка с паспортными данными трансформатора


Была ли Вам полезна данная статья? Или может быть у Вас остались вопросыПишите в комментариях!

Не нашли на сайте статьи на интересующую Вас тему касающуюся электрики? Напишите нам здесь. Мы обязательно Вам ответим.

↑ Наверх

0
https://elektroshkola.ru/transformatory/svarochnye-transformatory/

Читайте так же:

Оставьте комментарий:

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *