РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС СВАРОЧНОГО ТРАНСФОРМАТОРА

На фиг. 124, а дана принципиальная схема идеального транс­форматора, в котором первичная обмотка, имеющая w₁ витков, присоединена к сети переменного тока напряжением U₁, а вторичная обмотка с w₂ витками питает нагрузку при напряжении U₂. В идеальном трансформаторе сопротивление первичной и вторичной обмоток равно нулю, отсутствуют потери энергии в сердечнике (вызываемые в реальном трансформаторе гистерезисом и вихревыми токами) и от­сутствует магнитное рассеяние, т. е. весь магнитный поток, создаваемый обмотками трансформатора, в любой момент полностью замыкается через железный сердечник и одновременно пронизывает обе обмотки. К. п. д. такого трансформатора равен единице, и для него справедливы следующие соотношения:

U₁ = 4,44 * f * w₁ * Ф_т

U₂ = 4,44 * f * w₂ * Ф_т

U₁/U₂ = w₁ / w₂ = n

где f—частота в гц

n — коэфициент трансформации;

Ф — амплитудное значение магнитного потока (максимальное зна­чение потока, изменяющегося по синусоидальному закону).

В действительном трансформаторе часть индукционных линий магнитного потока, возбуждаемого током первичной и вторичной обмоток, замыкается через окружающий воздух, минуя сердечник и вторич­ную обмотку и образуя магнитный поток рассеяния (Ф_1S„ и Ф_2S), схемати­чески показанный на фиг. 124,б. Поток рассеяния тем меньше, чем равномернее распределена обмотка вдоль сердечника и чем ближе друг к другу и к сердечнику расположены витки первичной и вторичной обмоток. Поток рассеяния создает индуктивное сопротивление обмоток трансформатора. Активное и индуктивное сопротивления обмоток трансформатора учитываются введением последовательно с его первичной и вторичной обмотками эквивалентных (равноценных) сопротивлений R₁ , Х₁ и R₂, Х₂ (фиг. 124, в).

Анализ работы трансформатора обычно начинается с изучения его холостого хода, когда при замкнутой первичной цепи его вторич­ная цепь разомкнута (в машинах для контактной сварки трансформаторы редко работают в режиме холостого хода, так как ток в первичной цепи, как правило, включается после зажатия свариваемых деталей между электродами, т. е. после замыкания вторичной цепи машины).

Ток холостого хода слагается из двух составляющих: реактив­ного намагничивающего тока I_μ совпадающего по фазе с магнитным потоком Ф_т, и активного тока I_с, вызываемого по­терями энергии в сердечнике вследствие гистерезиса и вихревых токов. На фиг. 125, а показана так называемая векторная диаграмма трансформатора при холостом ходе, на которой в опре­деленных масштабах отложены в соответствующих направлениях вели­чины магнитного потока Ф_т, напряжений, электродвижущих сил и токов. По оси абсцисс отложен вектор магнитного потока Ф_т и парал­лельный ему вектор намагничивающего тока I_μ. Векторы э. д. с. пер­вичной и вторичной обмоток Е₁ и Е₂ направлены под углом 90° к вектору потока Ф_т. При отсутствии потерь в разомкнутой вторичной цепи напряжение на зажимах вторичной цепи равно э. д. с. на зажимах вторичной обмотки трансформатора U₂ = E₂.

Вектор активной составляющей тока холостого хода I_с направлен перпендикулярно вектору Ф_т и, складываясь геометрически с вектором I_μ , дает ток холостого хода I₀,

Напряжение сети U₁ уравновешивает э. д. с. первичной обмотки Е₁ и компенсирует активные (R₁*I₀) и реактивные (X₁*I₀) потери при про­текании тока холостого хода I₀. Составляющая напряжения U₁ уравно­вешивающая э. д. с. первичной обмотки U₁^’ = - E₁. Вектор U₁^’ по ве­личине равен вектору Е₁ и направлен вверх перпендикулярно вектору потока Ф_т. Вектор активного падения напряжения R₁*I₀ направлен па­раллельно I₀, а вектор X₁*I₀ — перпендикулярно вектору тока холостого хода. Угол φ₀ определяет сдвиг по фазе напряжения и тока при холостом ходе коэффициент мощ­ности при холостом ходе равен cos φ₀.

Ток холостого хода I₀ опре­деляется как гипотенуза в прямо­угольном треугольнике.

Величина намагничивающего тока может быть найдена по формуле

где l — средняя длина магнитной цепи трансформатора в см

aw - ампервитки/см, необходимые для получения в сердечнике магнитного потока, достаточного для наведения в первичной обмотке э. д. с., равной приложенному напряжению (напря­жению сети U₁);

w₁ — число витков первичной обмотки;

n₂ — число зазоров в магнитной цепи;

B_т —максимальная индукция в гс;

Δ — величина зазора в см.

При заданных значениях U₁ , w₁ и f поток Ф_т определяется по формуле (U₁ = 4,44 * f * w₁ * Ф_т). Зная поток и сечение сердечника F в см², легко вычислить индукцию В_т= Ф_т / F (и наоборот, при конструировании нового трансформатора можно, задаваясь допустимым значением максимальной индукции, определить сечение сердечника). Ампервитки/см, необходимые для создания требуемой индукции, находятся по кривой намагничивания трансформаторной стали (фиг. 126).

Намагничивающий ток (основная составляющая тока холостого хода) тем меньше, чем меньше число зазоров и их величина, т. е. чем лучше конструкция и качество сборки трансформатора. I_μ уменьшается также с уменьшением индукции, так как с уменьшением В_т быстро падает необ­ходимое число ампервитков/см. Однако снижение В_т связано с увеличе­нием сечения сердечника, а следовательно, с увеличением размеров и веса трансформатора. Поэтому в сварочных трансформаторах применяются относительно высокие значения индукции (В_т= 14 000 - 16000- гс).

Активная составляющая тока холостого хода определяется по формуле

где Р_ж — потери энергии в стальном сердечнике.

Потери в стали пропорциональны весу сердечника и зависят от ка­чества стали и от индукции. Для трансформаторов сварочных машин потери в стали близки к 5 вт/кг.

В нормальных силовых трансформаторах ток холостого хода не превышает 5% рабочего тока при полной нагрузке. В трансформаторах для контактной сварки новейшей отечественной конструкции ток холо­стого хода приближается к 10% рабочего тока, в трансформаторах старых типов он достигает 20%.

Амплитуда магнитного потока при переходе от холостого хода к рабочему режиму практически не изменяется. При холостом ходе этот поток создается намагничивающей силой I₀ * w₁ , при работе с на­грузкой—геометрической суммой намагничивающих сил пер­вичной (I₁ * w₁) и вторичной (I₂ * w₂) обмоток трансформатора (фиг. 125, б). Если значения намагничивающих сил разделить на w₁ то можно по­строить векторную диаграмму токов (фиг. 125, в), на которой носит название приведенного вторичного тока.

Из этой диаграммы видно, что первичный ток трансформатора является геометрической суммой приведенного вторичного тока и тока холостого хода I₀.

На фиг. 125,г приведена полная векторная диаграмма трансформа­тора с рабочей нагрузкой при учете магнитного рассеяния и активных сопротивлений обмоток по схеме, представленной на фиг. 124,б. Часть э. д. с. вторичной обмотки E₂ затрачивается на преодоление активного сопротивления вторичной обмотки R₂ (вектор I₂*R₂ параллельный току I₂) и реактивного сопротивления Х₂, связанного с рассеянием магнитного потока вторичной обмотки (вектор I₂*X₂ перпендикуляр­ный к I₂). Напряжение на зажимах вторичной обмотки равно U₂ и смещено по отношению к I₂ на угол φ₂. Такое же построение для первичной обмотки дает значение вектора первичного напряжения U₁ смещенного по отношению к току I₁ на угол φ₁

Анализ приведенной векторной диаграммы наглядно показывает, что:

а) э. д. с, первичной обмотки Е₁ меньше напряжения питающей трансформатор сети, а напряжение на зажимах вторичной обмотки меньше э. д. с, E₂;

б) сдвиг фаз между током и напряжением в первичной цепи транс­форматора (φ₁) существенно больше сдвига по фазе во вторичной цепи (φ₂).

Следует отметить, что в современных конструкциях транс­форматоров для контактной сварки благодаря рациональному размещению первичной и вторичной обмоток магнитное рассеяние очень мало и к. п. д. выше 0,95.