Трансформаторы с подвижными магнитными шунтами

Одной из разновидностей трансформаторов с увеличенным магнитным рассеянием являются трансформаторы с подвижными магнитными шунтами серий СТАН, СТШ, ОСТА, ТДМ. Увеличение потоков магнитного рассеяния достигается при помощи подвижных магнитных шунтов, помещенных в окне магнитопровода трансформатора.

Принцип действия такого трансформатора рассмотрим по рис. 3.8. Он имеет неподвижные первичную 1 и вторичную 2 обмотки, стержневой магнитопровод 3 и подвижный магнитный шунт 4. Каждая обмотка имеет по две катушки, размещенные на разных стержнях. Потоки рассеяния Ф_1р и Ф_2р замыкаются через магнитный шунт. Падающая характеристика у трансформатора с магнитным шунтом получается благодаря увеличенному рассеянию, вызванному размещением первичной и вторичной обмоток на значительном расстоянии друг от друга и наличием магнитного шунта.

Рис. 3.8. Конструктивная схема трансформатора с подвижным магнитным шунтом

Магнитный шунт состоит из двух половинок, сближающихся и удаляющихся друг от друга при работе винтового привода 5. При увеличении расстояния l_ш между половинками шунта снижается площадь S_ш, по которой замыкаются потоки рассеяния. В результате уменьшаются потоки рассеяния и индуктивное сопротивление, что приводит к увеличению тока. Использование шунта из двух частей ускоряет настройку режима и снижает вибрацию подвижных частей, поскольку электродинамические силы, воздействующие на половинки шунта с частотой 100 Гц, уравновешиваются друг другом. Известны конструкции с цельным магнитным шунтом, выдвигаемым по одну сторону трансформатора или поворачиваемым внутри его окна. Индуктивное сопротивление трансформатора с магнитным шунтом при параллельном соединении катушек

. (3.5)

Первая составляющая уравнения соответствует минимальному сопротивлению трансформатора при полностью выдвинутом шунте (S_Ш = 0). Оно может быть определено по той же формуле (3.4), что и для трансформатора с подвижными обмотками, но завышено приблизительно на 25 %, поскольку даже по выдвинутому шунту замыкается небольшой поток рассеяния. Вторая составляющая учитывает зависимость индуктивного сопротивления от магнитного сопротивления на пути потоков рассеяния через шунт. Магнитное сопротивление зависит от величины воздушного зазора δ и площади перекрытия S_Ш магнитопровода шунтом:

. (3.6)

Ступенчатое регулирование может выполняться переключением катушек первичной и вторичной обмоток на последовательное и параллельное соединение. Применяются также трансформаторы, у которых часть вторичной обмотки размещена вблизи от первичной. В этом случае ступенчатое регулирование выполняется изменением степени разнесения вторичной обмотки, благодаря чему удается снизить массу магнитопровода у трансформатора с широким диапазоном регулирования.

В трансформаторах типа СТАН (рис. 3.9) в окне магнитопровода размещен шунт, который при помощи ходового винта перемещается перпендикулярно плоскости окна магнитопровода.

Рис. 3.9. Принципиальная схема трансформатора типа СТАН

При входе шунта в окно магнитопровода он как бы заполняет окно, в результате чего магнитные потоки рассеяния обмоток трансформатора увеличиваются. При этом ЭДС вторичной обмотки уменьшается, следовательно, уменьшается сварочный ток. При выходе шунта из окна магнитопровода магнитные потоки рассеяния уменьшаются, а сварочный ток увеличивается. В трансформаторах стержневого типа первичная W₁ и вторичная W₂ обмотки выполнены из двух катушек, соединенных между собой параллельно. Первичная обмотка намотана алюминиевым проводом марки АСПД, а вторичная – голой алюминиевой шиной марки АДО «на ребро». Трансформаторы СТАН промышленность уже не выпускает, но они еще находятся в эксплуатации.

Трансформаторы типа СТШ по принципу действия и схеме аналогичны трансформаторам типа СТАН, но имеют конструктивные отличия. В трансформаторах типа СТШ в окно магнитопровода помещены два шунта, которые, при помощи ходового винта перемещаются в разные стороны перпендикулярно плоскости окна магнитопровода. Сварочный ток регулируется изменением расстояния между шунтами – при увеличении расстояния ток увеличивается и наоборот. Трансформатор имеет механический токоуказатель, связанный с одним из шунтов. Трансформаторы СТАН и СТШ имеют одну ступень регулирования сварочного тока, регулирование в пределах ступени плавное.

Трансформатор типа ОСТА предназначен для питания дуги при ручной дуговой сварке, резке или наплавке однофазным переменным током. Трансформатор обеспечивает: преобразование сетевого напряжения (220 или 380 В) в напряжение, необходимое для питания дуги; требуемую падающую характеристику; плавное регулирование сварочного тока. Электромагнитная схема и схема расположения обмоток трансформатора показаны на рис. 3.10.

Рис. 3.10. Электромагнитная схема (а) и схема расположения обмоток (б) трансформатора: 1 – первичная обмотка; 2 – вторичная обмотка; 3 – реактивная обмотка;
4 – магнитный шунт; 5 – магнитопровод

У трансформатора ОСТА-350 первичная обмотка W₁ и вторичная обмотка W₂ расположены на одном крайнем стержне А, а реактивная обмотка на другом крайнем стержне Б магнитопровода. Вторичная и реактивная обмотки сделаны секционированными. Такая конструкция трансформатора обуславливает сильную магнитную связь первичной обмотки с секциями и вторичной обмотки и относительно слабую – с секциями и реактивной обмотки. Магнитопровод трансформатора выполнен сплошным, без воздушных зазоров. Между крайними стержнями находится подвижный сердечник – магнитный шунт. Магнитные потоки, создаваемые первичной, вторичной и реактивной обмотками, замыкаются через шунт, образуя магнитные потоки рассеяния. Эти потоки рассеяния увеличивают индуктивное сопротивление, вследствие чего внешняя характеристика трансформатора будет падающей. Индуктивность рассеяния, а значит и величина сварочного тока, определяется числом витков реактивной обмотки.

При холостом ходе трансформатора рассеяние практически отсутствует, поэтому при согласном последовательном включении секций напряжение холостого хода определяется общим числом витков реактивной обмотки.

Режимы сварки регулируют ступенчато за счет секционирования вторичной и реактивной обмоток и плавно впределах каждой ступени при помощи подвижного шунта. Трансформатор имеет 2 ступени регулирования. На первой ступени (перемычкой замкнуты клеммы 1–2) включены секция (пять витков) и вся реактивная обмотка , (по 12 витков), что обуславливает относительно большое индуктивное сопротивление и повышенное напряжение холостого хода (70-72 В). Это облегчает возбуждение и горение дуги на малых токах. При замкнутых клеммах 1–3 (2 ступень) включены обе секции и (по 5 витков) вторичной обмотки и половина реактивной обмотки – (12 витков). При таком числе витков напряжение холостого хода составляет 52–55 В, что достаточно для устойчивого горения дуги на относительно больших токах. Плавное регулирование режима в пределах каждой ступени производится с помощью магнитного шунта, перемещаемого в окне трансформатора по установленным там направляющим. Перемещение шунта производится вращением ходового винта, снабженного рукояткой. Вращение винта по часовой стрелке соответствует введению магнитного шунта в окно магнитопровода трансформатора, индуктивность рассеяния при этом возрастает, а сварочный ток снижается. Токоуказателя трансформатор ОСТА-350 не имеет. Обмотки трансформатора выполнены алюминиевым проводом, выводные концы с целью предохранения от окисления армированы медными накладками. Для снижения помех радиоприема, распространяющихся по проводам питающей сети, к клеммам трансформатора подключен емкостной фильтр С₁–С₂.

Трансформаторы ТДМ-201, СТШ-250, ТДМ-259, ТДМ-2510 не имеют ступенчатого регулирования, здесь кратность регулирования от 2,5 до 4. Трансформаторы ТДМ-168, ТДМ-300 и ТДМ-411 имеют две ступени грубого регулирования, при переходе к ступени малых токов одновременно повышается напряжение холостого хода, что повышает надежность зажигания и устойчивость горения дуги. Трансформаторы ТДМ-121 и ТДМ-180 изготавливают по лицензии шведской фирмы ESAB, они соответствуют международному стандарту ISO 700. Эти трансформаторы имеют броневой магнитопровод и по одной катушке первичной и вторичной обмоток. Шунт здесь состоит из двух клиновидных пакетов. Поэтому при перемещении шунта меняется не только площадь S_ш, но и зазор δ, что обеспечивает более равномерное регулирование. Трансформаторы бытового назначения ТДМ-169 и ТДМ-257 имеют предельно простую и надежную конструкцию, у них магнитный шунт не имеет привода и переставляется вручную, а обмотки залиты эпоксидным компаундом, что обеспечивает их высокую электрическую и механическую прочность. К классу бытовых могут быть отнесены и ранее перечисленные трансформаторы ТДМ-121 и ТДМ-168, они питаются напряжением 220 В, имеют низкую ПН = 20 % и массу не более 30 кг.

Трансформаторы с магнитным шунтом практически не уступают трансформаторам с подвижными обмотками ни по сварочным свойствам, ни по массо-габаритным характеристикам, ни по технико-экономическим показателям. Однако их широкое использование началось только в последнее время.

Кроме описанных выше, разработан ряд других конструктивных схем сварочных трансформаторов с увеличенным магнитным рассеянием, которые не получили широкого распространения, по крайней мере, в промышленных вариантах. Особенности их конструкций и основные технологические возможности кратко рассмотрим ниже.

Трансформаторы с разнесенными обмотками.Разнесение первичной и вторичной обмоток на разные стержни уже позволяет получить падающие внешние характеристики. Однако регулировать ток в таком простейшем трансформаторе можно только изменением коэффициента трансформации. К сожалению, при этом одновременно меняется и напряжение холостого хода. Поэтому подобное регулирование тока в серийных конструкциях трансформаторов, как правило, не применяется, хотя, к примеру, Санкт-Петербургской фирмой «ЭТА» выпускается нерегулируемый трансформатор ТС-50.

Заметный эффект достигается при совмещении виткового регулирования с изменением степени разнесения обмоток по стержням (рис. 3.11, а). Это позволяет получить две ступени токов. Как вариант такой схемы регулирования изготовляется трансформатор ТСБ-145 на три ступени регулирования. Подобную же схему имеет и трансформатор ТДС-140.

а)

б)

Рис. 3.11. Схема трансформатора с разнесенными обмотками

У такого трансформатора витки w₂₁ и w₂₂+w₂₃ вторичной обмотки разнесены на разные стержни, тогда как первичная обмотка w₁ расположена только на левом стержне. Очевидно, что магнитная связь первичной обмотки w₁ с левой катушкой w₂₁ вторичной обмотки w₂, для которой k_тр ≈ 1, значительно лучше, чем с ее правой катушкой w₂₂+w₂₃, у которой k_тр << 1. Переключателем можно изменять степень разнесения работающих частей вторичной обмотки по стержням. При одном положении переключателя в работе участвует вся левая катушка с числом витков w₂₁ и только часть правой катушки. При другом положении переключателя работает только правая катушка с числом витков w₂₂+w₂₃.При этом потоки рассеяния трансформатора увеличиваются, что приводит к увеличению его индуктивного сопротивления, увеличению крутизны падения внешней характеристики и, как следствие, к снижению тока. Причем при таком регулировании тока напряжение холостого хода почти не изменяется, т.к. число витков вторичной обмотки, участвующих в работе, остается постоянным.