Анализ режимов работы трансформатора

Сварочный трансформатор в процессе работы может находиться в одном из трех режимов: холостой ход, нагрузка и короткое замыкание. Используя (2.4) и схему замещения (см. рис.2.4) рассмотрим режимы работы сварочного трансформатора.

Режим холостого хода. В этом случае ток дуги отсутствует I _д= I₂ = 0. В первичной обмотки трансформатора протекает ток намагничивания I_o , которым для упрощения пренебрегаем. Поэтому на дуговом промежутке при холостом ходе U_o равно подводимому напряжению U₁¢. Векторы этих напряжений равны по величине и противоположны по фазе.

Режим нагрузки. В этом случае в электрической цепи протекает ток

I₂ = I₁¢ = I_д. Векторная диаграмма трансформатора при нагрузке приведена на рис.2.4,б. Из векторной диаграммы можно выразить в аналитической форме уравнение (2.18).

U₂ = U_д= (U_o² − I_д²Хт'²)^0,5 −I_дR_т (2.6)

Для приближенных расчетов ввиду малых величин активных сопротивлений R_т падением напряжения на них можно пренебречь. Тогда (2.6) перепишется как:

U₂ = U_д= (U_o² − I_д²Х_т ^{' 2})^0,5 (2.7)

Из (2.5) видно, что падающая внешняя характеристика трансформатора может быть получена при значительном увеличении его индуктивного сопротивления. Параметры упрощенной схемы замещения (см. рис.2.4) являются исходными для обоснования принципа действия и методов настройки режима сварочных трансформаторов.

Основными показателями, характеризующими экономические свойства трансформаторов, являются коэффициент мощности cosj и КПД. Коэффициент мощности с учетом искажения кривых тока и напряжения определяется из отношения активной мощности Р_а, потребляемой трансформатором и кажущейся (установленной мощности Р_к ).

cosj = (U_д I_д + I_д²R_т)/ (U_oI_д) = U_д + I_дR_т)/ U_o (2.8)

КПД трансформатора определяется отношением:

h = Р_д / Р_а , (2.9)

где Р_д и Р_а - мощность дуги и активная мощность, потребляемая из сети соответственно.

h = U_дI_д / (U_дI_д + I²R_т +Р_о). (2.10)

Пренебрегая потерями холостого хода, (2.10) перепишется:

h = UдIд / (U_дI_д + I²R_т) (2.11)

Из (2.8) и (2.10) определяется так называемый коэффициент использования кажущейся мощности трансформатора:

с = h cosj = U_д/U_o . (2.12)

Из анализа уравнений (2.11) и (2.12) следует, что:

- коэффициент мощности и коэффициент использования кажущейся мощности увеличивается с уменьшением напряжения холостого хода трансформатора и увеличением напряжения дуги. Поэтому для повышения экономических показателей трансформатора необходимо по возможности снижать напряжение холостого хода. Однако при значительном снижении напряжения холостого хода возбуждение дуги затрудняется, а процесс ее горения становиться прерывистым. Поэтому при выборе напряжения холостого хода трансформатора необходимо в первую очередь исходить из условия стабильности горения дуги. В свою очередь увеличение напряжения на дуге ограничивается технологическими требованиями процесса сварки. С увеличением напряжения дуги увеличивается возможность нарушения газовой защиты, появления дефектов формы шва и др.

Принимая во внимание, что отношение U_д/U_o для обычных условий дуговой сварки изменяется в пределах 0,4...0,62, а коэффициент использования кажущейся мощности сварочных трансформаторов с = 0.34...0,6. Поэтому сварочные трансформаторы имеют сравнительно низкий коэффициент использования кажущейся мощности, что отличает их от сетевых силовых трансформаторов. Изыскания способов повышения устойчивости горения дуги и надежности ее возбуждения без чрезмерного увеличения напряжения холостого хода позволят значительно повысить экономичность сварочных трансформаторов.

Режим короткого замыкания.. U_д = 0, а ток в сварочной цепи равен току короткого замыкания, I₂ = I_2к. Все подводимое напряжение падает внутри трансформатора. В этом случае (2.6) и (2.7) примут вид:

U_о= I_2к (Х_т²+R_т²)^0,5 (2.13)

и U_о= I_2к Х_т. (2.14)

Ток короткого замыкания из (2.14)

I_2к » U_о/ Х_т (2.15)

зависит от величины напряжения холостого хода и ограничивается главным образом величиной индуктивного сопротивления. В трансформаторах с нормальным (малым) магнитным рассеянием для ограничения тока короткого замыкания включают в сварочную цепь отдельную реактивную катушку - реактор, в трансформаторах с увеличенным рассеянием ток ограничивают повышением индуктивного сопротивления его обмоток.

КПД трансформатора при коротком замыкании, так же как и при холостом ходе будет стремиться к нулю. Коэффициент мощности определяется из (2.11), приняв U_д.» 0, а I_д = I_2к

cosj = (I_2к R_т )/ U_о (2.16)

Ввиду незначительной величины активного сопротивления, коэффициент мощности трансформатора при коротком замыкании не велик.

2.4. Способы настройки сварочных трансформаторов

На основании анализа (2.7) и (U₂=E₂−I₂Z_э2, где E₂= E₁w₂/w₁) можно наметить следующие способы настройки сварочных трансформаторов на заданный режим сварки:

- изменением наклона внешней характеристики источника питания при постоянном напряжении холостого хода за счет изменения индуктивного сопротивления;

- изменением напряжения холостого хода трансформатора при неизменном наклоне его внешней характеристики за счет секционирования обмоток трансформатора, либо изменения подводимого сетевого напряжения;

- комбинированный способ одновременно использующий два предыдущих.

Настройка режима путем изменения индуктивного сопротивления весьма широко применяется в сварочной технике. Преимуществами этого способа является ограничение тока короткого замыкания и изменение наклона внешней характеристики в рабочей точке.

Настройка режима путем ступенчатого изменения напряжения холостого хода мало пригодна для ручной дуговой сварки. Для обеспечения требуемого диапазона изменения сварочного тока необходимо разделить обмотки на большое число секций (более 20). Это усложняет конструкцию обмоток, повышает расход активных материалов трансформатора. Для обеспечения требуемого диапазона изменения тока необходимо в широких пределах изменять напряжение холостого хода. При этом напряжение холостого хода на первой ступени (малые токи) должно быть достаточным для надежного возбуждения дуги и ее устойчивом горения. На последней ступени (большие токи) напряжение холостого хода ограничивается условиями безопасности работы.

Поэтому в практике чаще применяется комбинированный способ настройки режима сварки, сочетающий ступенчатую настройку за счет секционирования обмоток и плавную - в пределах каждой ступени путем плавного изменения индуктивного сопротивления. При регулировке на малые токи напряжение холостого хода выше, чем на больших рис.2.5.

Рис. 2.5. Внешние характеристики трансформатора ТДМ-503У2 со ступенчатой настройкой

Снижение коэффициента трансформации путем уменьшения числа витков первичной обмотки трансформатора приводит к увеличению магнитного потока в сердечнике трансформатора. Поэтому сечение сердечника и индуктивность в нем следует выбирать для ступени с максимальным потоком, т.е. при минимальном числе витков w₁. При работе на ступенях с большим числом витков поток Ф_т меньше и железо трансформатора недогружено. По этим причинам габариты трансформатора и удельный расход активных материалов увеличивается.

При секционировании вторичной обмотки трансформатора подобный недостаток отсутствует, но в этом случае сечение витков и выводов от секций необходимо выбирать по максимальному току, что приводит к увеличению сечения обмоточных материалов. Сечение первичной обмотки необходимо также увеличивать, так как при настройке на большие токи коэффициент трансформации уменьшается, что обуславливает относительное увеличение тока в первичной обмотки. При сварке на ступенях с меньшими токами часть витков вторичной обмотки не задействована. Следовательно, при этом способе настройки снижается использование и увеличивается расход обмоточных материалов.

При настройке режима путем секционирования вторичной обмотки трансформатора одновременно изменяется напряжение холостого хода и индуктивное сопротивление Х_т. Например, с увеличением числа витков w₂ напряжение холостого хода увеличивается пропорционально им, а индуктивное сопротивление - их квадрату. Согласно (2.15) сварочный ток и ток короткого замыкания с увеличением w₂ уменьшается, а напряжение холостого хода увеличиваться, что способствует повышению устойчивости горения дуги. К недостаткам этого способа настройки относится наличие большого количества секций. Это усложняет конструкцию коммутирующего устройства. При работе на больших токах часть обмотки незадействована. Этот недостаток снижается, если применять параллельно-последовательное соединение отдельных секций вторичных обмоток.

Поиск по сайту: