第3章+弧焊变压器.ppt

第3章弧焊变压器 3 1弧焊变压器的基本原理和分类3 2串联电抗器式弧焊变压器3 3动铁心式弧焊变压器3 4动线圈式弧焊变压器3 5抽头式弧焊变压器 内容提要 本章主要以一般变压器理论为基础 根据弧焊工艺的要求 阐明弧焊变压器的特殊性 陡降外特性的获得和焊接参数的调节方法 并介绍常见弧焊变压器的结构 原理和特点 3 1弧焊变压器的基本原理和分类 弧焊变压器的特点 1 为稳弧要有一定的空载电压和较大的电感 2 主要用于焊条电弧焊 埋弧焊和钨极氩弧焊 应具有下降的外特性 3 为了调节电弧电流 电压 外特性应可调 3 1 1基本原理 与普通变压器一样 可通过基本方程式 等效电路和矢量图三个方面来分析 主要是弄清空载电压的建立 获得下降外特性的原理和调节焊接参数的方法 3 1 1 1基本方程式 1 空载如图3 1所示在一次绕组上施加电压产生了空载电流和磁通 磁通中的一部分经铁心闭合的为空载主磁通 它是耦合磁通 另一部分经空气闭合的为空载漏磁通 分别与W1 W2 一次 二次 绕组耦合 各产生感应电动势 在二次输出端输出空载电压 上述电磁关系可表示为 图3 1变压器空载运行情况 讨论电压之间的关系 由于变压器的磁通可被看作是按正弦规律来变化的 故有 其有效值为 3 1 1 同理有 令 为耦合系数 其值在0 1之间变化 它说明一次 二次绕组间耦合的紧密程度 由以上式子得到 3 1 2 式 3 1 2 说明 有漏磁时 空载电压只是由耦合磁通 主磁通 建立的 当无漏磁时 则有 3 1 3 在一般变压器理论中常忽略漏磁通 不讨论它的作用 而在弧焊变压器中 往往要人为地增大漏磁通来加以利用 变压器空载时有漏磁通 在一次绕组中也就产生了漏抗电动势 或感抗压降 根据克氏第二定律 可以写出变压器一次电路的复数电压方程式为 式中 分别为一次绕组的漏抗和电阻 2 负载 如图3 2所示 在一次绕组上施加电压 二次绕组与负载 接通 图3 2变压器负载运行时的原理图a 原理图b 等效电路图 根据变压器基础知识 经计算可以得出 3 1 12 分别为变压器二次绕组的漏抗和电抗器的感抗 分别为变压器二次绕组的电阻和电抗器的电阻 图3 3接有电抗器的弧焊变压器 令 变压器总漏抗 而 和 值较小可以忽略 且 则有 3 1 13 令 于是 3 1 14 根据以上所述可以得出以下结论 1 式 3 1 12 3 1 13 或 3 1 14 是弧焊变压器的电压平衡方程式 也是弧焊变压器的外特性方程式 2 式 3 1 12 说明不仅二次的漏抗 而且一次的漏抗 或 也对二次的输出电压有影响 二者增大都使变压器的外特性下降得更加陡 3 在二次电路串联电抗器便有感抗 也可获得下降外特性 4 弧焊变压器的外特性方程式也可以写成以下形式 3 1 15 由式 3 1 15 容易看出 改变 或 可调节焊接电流 3 1 1 2等效电路 变压器一 二次电路是靠主磁通联系起来的 根据式 3 1 12 可画出图3 4a所示等效电路图 即用一个等效电路代替了两个相互间有磁联系的电路 通过它能更形象 更具体地理解弧焊变压器的工作原理 图3 4弧焊变压器的等效电路a 一般等效电路b 简化等效电路 3 1 1 3弧焊变压器的矢量图 在上述分析的基础上 我们可以把弧焊变压器的各量 按其大小和相位关系画出矢量图 如图3 5所示 图3 5弧焊变压器空载时的矢量图 图3 6弧焊变压器负载时矢量图 为了便于分析弧焊变压器的外特性 还可根据式 3 1 14 或图3 4b所示简化等效电路 画出弧焊变压器的简化矢量图于图3 7 图中 以一次电流 为参考矢量 电弧电压 与 同相 而 则比 导前90 与 的矢量和为 于是 和 三个矢量构成了以 不变而负载电阻减小时 使 和 值增大 图中直角三角形的顶点 为 为斜边 的直角三角形 通过该直角三角形可以分析弧焊变压器的外特性形状 当 要沿着以 直径的半圆往下移 如虚线所示 对应的 要减小 因此 每改变一次 可从图上求得相应的 作出如图3 8所示的外 特性曲线 若改变 为另一值 按上述方法可求得另一条外特性曲线 图3 7弧焊变压器的简化矢量图 图3 8弧焊变压器的外特性 实际上式 3 1 14 还可写成以下形式 3 1 17 不难看出 式 3 1 17 是个以 和 为其长 短轴的椭圆 外特性曲 线是该椭圆在第一象限的部分 式 3 1 17 为表达弧焊变压器特性的椭圆方程 3 1 2弧焊变压器的分类 串联电抗器式由正常漏磁 漏磁很少 可忽略 的变压器串联电抗器构成 按结构不同又分为 1 分体式变压器和电抗器式独立的个体 BN系列弧焊变压器及BP 3 500型多站弧焊变压器属于此类 2 同体式变压器与电抗器铁心组成一体 二者之间非但有电的串联 还有磁的联系 BX2系列弧焊变压器属于此类 增强漏磁式在这类变压器中人为地增大了自身的漏抗 而无需再串联电抗器 按增强和调节漏抗的方法不同又可分为 1 动铁心式在一 二次绕组间设置可动的磁分路 以增强和调节漏磁 BXl系列弧焊变压器即属此类 2 动线圈式通过增大一 二次绕组之间距离来增强漏磁 改变绕组之间距离以资调节 BX3系列弧焊变压器属于此类 3 抽头式也是将一 二次绕组分开来增加漏磁 通过绕组抽头改变绕组匝数来调节漏抗 BX6 120型弧焊变压器属于此类 根据获得下降外特性的方法不同可分为 3 2串联电抗器式弧焊变压器 这类弧焊电源由变压器和电抗器所组成 前者为正常漏磁的普通降压变压器 将电网电压降至所要求的空载电压 变压器本身的外特性是接近于平的 为了得到下降外特性及调节电流需串联电抗器 下面将在介绍电抗器的基础上 再分别介绍分体式和同体式弧焊变压器 3 2 1电抗器 实际上它就是带铁心的线圈 当这线圈流过交流电流 时有磁势 NK NK为电抗器线圈匝数 在铁心中产生磁通 通常 是按正弦规律交变的 在 产生 线圈上有自感电动势 在交流电路中起电抗压降作用 故 即 由此可见 改变 和NK可以改变XK 按调节XK 的办法不同 电抗器可分为以下几种 1 调节空气隙式它们的结构如图3 9所示 有双间隙与单间隙之分 2 调节线圈式其结构如图3 10所示 它的优点是没有活动铁心 无振动问题 结构简单 3 饱和电抗器其结构如图3 11所示 铁心中无空气隙和活动铁心 因而避免了上述电抗器的缺点 图3 9调节空气隙式电抗器a 单气隙式b c 双气隙式1 定铁心2 线圈3 动铁心 图3 12调节线圈圈数的电抗器 图3 13饱和电抗器 3 2 2分体式弧焊变压器 3 2 2 1单站分体式弧焊变压器 这种弧焊电源供单个焊工使用故称为单站式 结构特点如图3 14所示 由变压器T和电抗器DK组成 变压器一次绕组1和二次绕组2共同绕在二侧心柱上 一次 二次绕组之间磁的耦合紧密 漏磁很少 DK为电抗器 装有连着传动机构的手柄3 摇动它可调节空气隙的大小 图3 14BN型弧焊变压器结构示意图 工作原理主要讨论空载电压的建立 如何获得下降外特性以及怎样限制短路电流的问题 1 空载这时电抗器线圈内没有电流 铁心内无磁通 线圈两端没有电压 空载电压全靠变压器建立 因为变压器内部漏磁可略去 即 按式 3 1 3 有 2 负载因变压器内部漏磁很少 漏抗 可以略去不计 一次和 和 也可略去不计 则分体式弧焊变压器负载时的等效 二次绕组的电阻 电路可用图3 2 7表示 所以 在有负载电流时 其二次电压 几乎不随 电流大小而变 与空载电压近于相等 即 这种弧焊变压器的外特性方程式是 或 3 短路这时 为稳定短路电流 从外特性方程可得 即靠 限制短路电流 图3 15分体式弧焊变压器等效电路图 图3 16BN 500型弧焊变压器外特性 3 规范调节 这种弧焊变压器的优点是 变压器和电抗器可分别使用 易于搬动 但缺点也是明显的 小电流时电弧稳定性差 结构不紧凑 消耗材料较多 所以目前已不生产 3 2 2 2多站分体式弧焊变压器 结构特点在造船 锅炉等工厂的焊接车间 焊接生产任务繁重 往往可以采用多站式弧焊变压器集中供电 这种弧焊变压器本身必须是平的外特性 采用多站式供电有下列优点 节省设备投资 经常处于满载工作状态 提高了设备利用率 便于管理 维护 减少供电容量 减少占用车间生产面积 但也有以下缺点 焊接电路是低压供电 线路能量损耗大 焊站不可随便移动 灵活性差 工作可靠性差 因此应视具体情况权衡利弊而选用 2 产品介绍国产有BP 3 500型 旧型号为BM 3 500 由一台具有正常漏磁的三相降压变压器和12个调节空气隙式电抗器组成 可供12个焊站使用 由于存在上述缺点和条件所限 这种弧焊变压器应用不多 图3 17多站弧焊变压器供电方式 3 2 3同体式弧焊变压器 1 结构特点这种弧焊电源的结构如图3 18所示 图3 18同体式弧焊变压器结构示意图 2 工作原理它的工作原理与规范调节同于分体式 与分体式相比 不同之处在于结构紧凑 省料 但要笨重些 由于用于小电流时有电弧不够稳定的缺点 故宜做成大 中容量的电源 供焊条电弧焊 埋弧焊之用 它应用很广 我国以及美国 俄罗斯都有这类产品 3 3动铁心式弧焊变压器 1 结构特点它是一种增强漏磁式弧焊变压器 靠增强本身漏磁获得下降外特性 其结构如图3 22所示 铁心 可以移动 进出于铁心I的窗口 在图中是垂直于纸面移动 以调节漏磁 故称为动铁心式 图3 22动铁心式弧焊变压器结构 2 工作原理 1 空载 变压器空载电压是由 穿过W2感应建立的 所以 当动铁心移出变压器铁心窗口时 磁路的磁阻增大 使减小 增大 于是增大 反之 则减小 由于动铁心位置不同 有几伏的差别 2 负载其等效电路如图3 3 3b所示 其外特性方程式是 或 即靠变压器本身具有的总漏抗获得下降外特性 3 短路这时 从外特性方程式可得 即靠 限制短路电流 3 规范调节根据 可知 通过改变可调节 a b 图3 24负载时磁通分布及其等效电路图a 负载时磁通分布b 等效电路 4 产品介绍动铁心式弧焊变压器也存在动铁心振动的问题 但作用在两个气隙处电磁力的垂直分量可以抵消 如图3 26所示 因此 振动很轻微几乎无噪声 不致影响焊接电流的稳定 这类变压器由于内部漏抗足够大 不必用电抗器 从而节省了原材料的消耗 同时 结构简单 易造好用 颇受欢迎 但由于有两个空气隙 使附加损耗较大 故宜于做成中 小容量的产品 国产动铁心式弧焊变压器目前有BX1系列 包括BXl 135 BXl 300 BXl 500型 它们的动铁心是梯形的 图3 26梯形动铁心及其静铁心的配合 3 4动线圈式弧焊变压器 1 结构特点动线圈式弧焊变压器结构如图3 31所示 图3 31动线圈式弧焊变压器结构示意图 2 工作原理它与动铁心式同属增强漏磁式 共同特点是变压器一 二次绕组间磁耦合不紧密 不同之处在于 动线圈式在绕组间无动铁心作磁分路 而代之以绕组之间距离较大而且可调 因而动线圈式弧焊变压器中 只有经空气闭合的漏磁而没有经动铁闭合的附加漏磁 其余工作原理则与动铁心式相同 3 规范调节根据 以及空气漏抗的计算公式 推导从略 式中 K及A是与变压器结构数据有关的常数 由式子可知 调节规范的办法有 1 改变 以进行均匀调节 2 改变W2的匝数 以进行有级调节 4 产品介绍动线圈式弧焊变压器突出的优点是没有活动铁心 因此避免了由于铁心振动所引起的小电流的电弧不稳等一系列不利后果 虽然一 二次绕组之间也作用有电磁力 但却要小得多 几乎不引起危害 且当调至小电流时 最大 电磁力更小 故电弧稳定 它的缺点是 电流调节下限受到铁心高度的限制 因而只适用于中等容量 由于要辅以改变绕组匝数来调节规范 因而使用时不如梯形动铁心式方便 另外 就是消耗电工材料较多 经济性较差 国产这类产品属BX3系列 有BX3 120 BX3 300 BX3 500型 主要用于焊条电弧焊 还有BX3 1 300 BX3 1 500型 它们空载电压比前者略高 主要用于氩弧焊 它们的电路图大同小异 3 5抽头式弧焊变压器 3 5 1两心柱抽头式弧焊变压器 1 结构特点它的结构如图3 37所示 图3 37两心柱抽头式弧焊变压器 图3 38空载时磁通分布 2 工作原理 1 空载如图3 38所示 一次绕组在铁心I中产生磁通 其主要部分经铁心闭合与W2匝链 另一部分经空气闭合只与W1I自身匝链为漏磁 于是有 式中 或 为耦合系数 2 负载如图3 38所示 这时有一次漏磁通 二次漏磁通 对应产生漏抗 靠这些漏抗获得下降特性 即 此式为其外特性方程式 3 规范调节 4 特点及产品介绍这种弧焊变压器的结构简单 易于制造 无活动部分 避免了电磁力引起振动带来的弊端 因而电弧稳定 无噪声 使用可靠 成本低廉 但其调节性能欠佳 国产产品有BX6 120 1型 其额定电流为120A 电流调节范围是45 160A 额定负载持续率为20 质量只有25kg 根据 因而可改变以调节电流 即一次绕组上设许多抽头 用转换开关改变W1II和W1I 3 5 2三心柱抽头式弧焊变压器 1 结构特点为了解决上述两心柱抽头式弧焊变压器电流调节性能不好的问题 后来又设计了三心柱抽头式弧焊变压器 其结构如图3 39所示 图3 39三心柱抽头式弧焊变压器结构 2 工作原理 1 空载若开