Особенности конструкций трансформаторов для контактных машин переменного тока и вопросы расчета

Основная особенность трансформаторов для контактных машин состоит в том, что они рассчитаны на очень малые напряжения (от 1 В до 10 и реже до 20 В) и большие токи (до нескольких сотен тысяч ампер).

По технологическим требованиям контактные машины должны иметь широкий диапазон регулирования вторичного напряжения. Регулирование вторичного напряжения в требуемых пределах может производиться тремя способами: а) изменением коэффициента трансформации; б) изменением угла зажигания игнитронов или тиристоров; в) комбинированным способом, предусматривающим как изменение коэффициента трансформации, так и угла зажигания игнитронов.

В тех случаях, когда используются синхронные контакторы, регулирование напряжения по второму способу наиболее удобно. Регулирование осуществляется плавно, в широких пределах; не требуется никаких вспомогательных устройств для переключения обмоток трансформатора. Конструкция трансформатора получается предельно простой. Однако фазовому способу регулирования присущи и недостатки. Одним из основных является снижение коэффициента мощности машины. Действительно, коэффициент мощности

где U1, I1 — напряжение сети и ток, потребляемый машиной; I2 — вторичный ток; R — общее активное сопротивление, приведенное ко вторичной цепи машины. Если магнитная система трансформатора не насыщена, то

Учитывая это соотношение, получаем

где I20 = U20/z, cos ф = R/z — ток и коэффициент мощности при полнофазном режиме работы машины.

Фазовое регулирование сопровождается снижением коэффициента мощности машины пропорционально глубине регулирования сварочного тока. Поэтому наметившуюся в последние годы тенденцию многих иностранных фирм выпускать машины только с фазовым регулированием вряд ли можно считать оправданной с технико-экономической точки зрения. Более целесообразным следует считать комбинированное регулирование, при котором снижение коэффициента мощности за счет фазового регулирования не слишком значительно.

По действующему в настоящее время ГОСТу на контактные машины трансформатор должен иметь в зависимости от мощности 4...12 ступеней напряжения, причем отношение наибольшего напряжения к наименьшему должно составлять 1,9...2,6. В некоторых случаях контактные машины комплектуются нерегулируемыми трансформаторами, но при этом к машине придается специальный регулировочный автотрансформатор.

Регулирование напряжения достигается либо изменением числа включенных витков первичной обмотки, либо путем переключения отдельных первичных катушек с последовательного соединения на параллельное. Для того чтобы такие переключения были возможны, первичные обмотки трансформаторов выполняют из двух одинаковых половин, располагаемых симметрично относительно средней плоскости.

К числу основных особенностей трансформаторов для контактной сварки следует отнести также и то, что они работают, как правило, в повторно-кратковременном режиме, причем продолжительность включения их составляет от долей процента в специализированных машинах для точечной сварки до 50 % в машинах для шовной и стыковой сварки. Периодичность работы трансформатора не только предопределяет специфику теплового режима работы обмоток и сердечника, но также является причиной возникновения переходных процессов намагничивания сердечника, которые зачастую приводят к неблагоприятным последствиям.

В этом отношении в наиболее тяжелых условиях работают трансформаторы, первичные обмотки которых включаются в сеть с помощью асинхронных контакторов, механических или игнитронных. Приложенное к первичной обмотке напряжение

где R1 и L1 — активное сопротивление и индуктивность рассеяния трансформатора; w1 — число витков первичной обмотки; Ф — основной магнитный поток трансформатора.

Если магнитная система трансформатора не насыщена и сопротивление короткого замыкания невелико, то

При u1 = Um sin wt

Допустим, что в момент включения трансформатора t = t1 вследствие остаточного намагничивания Ф = Ф0. Определяя из этого условия постоянную интегрирования, находим

Если в установившемся режиме амплитуда магнитного потока в трансформаторе Фm = Um/w1w, то в переходном режиме максимальное значение магнитного потока Фmax (рис. 8.1) может быть вдвое больше Фm, если даже Ф0 = 0.

Однако при асинхронном контакторе Ф0 может иметь любой знак в зависимости от того, каким полупериодом, положительным или отрицательным, закончилась предыдущая сварка. Поэтому в трансформаторе с ненасыщающейся системой мгновенное значение магнитного потока может превышать амплитудное значение более чем вдвое. Реальные трансформаторы не рассчитывают с таким большим запасом по магнитной индукции, и поэтому во время переходных процессов их магнитная система насыщается. В результате нарушается равенство ампервитков обмоток, первичный ток резко увеличивается (рис. 8.2). Насыщение магнитной системы сказывается на режиме сварки, потери в первичной обмотке становятся выше расчетных. Вследствие появления в намагничивающем токе большой апериодической составляющей, а также сдвига фаз между периодическими составляющими первичного и вторичного тока на обмотки воздействуют значительные знакопеременные силы. При насыщении магнитной системы первичный ток ограничивается в значительной мере активным сопротивлением R1 и индуктивностью L1.

Для работы с асинхронными контакторами необходимы трансформаторы с пониженной магнитной индукцией, малой остаточной намагниченностью и хорошо укрепленными обмотками.

При использовании синхронных контакторов включение машины также сопровождается переходным процессом намагничивания, однако этот процесс протекает более благоприятно. Синхронный контактор обычно работает так, что начало сварки приходится на полупериод одной вполне определенной полярности, а конец — на полупериод обратной полярности. Поэтому остаточный магнитный поток Ф0 входит в приведенное выше выражение для магнитного потока Ф всегда со знаком минус и способствует снижению максимального значения магнитного потока Фmax (см. рис. 8.1, б). Для работы с синхронными контакторами по этой причине более целесообразны сердечники с витыми магнитопроводами или плотно шихтованными, чтобы остаточный магнитный поток был наибольшим. Вторая особенность работы синхронного контактора состоит в том, что момент включения его (фаза wt1) всегда больше угла сдвига фаз ф между током и напряжением при полнофазном режиме работы. Коэффициент мощности cos ф редко превышает 0,7...0,8. Отношение же Ф0/Фm обычно больше 0,3.

Поэтому

Следовательно, для того чтобы исключить насыщение магнитной системы трансформатора и предупредить переход контактора в режим однополупериодного выпрямителя, необходимо так рассчитывать трансформатор, чтобы был значительный запас по индукции. Часто это обстоятельство не принимается во внимание, в результате чего контактные машины неустойчиво работают при малых углах зажигания даже при соблюдении условия wt1 > ф. Поэтому приходится работать при завышенных углах зажигания wt1 и не использовать полностью мощность машины, которую она могла бы развить при минимальных коэффициентах трансформации.

Для сварки изделий из тонкого металла, особенно в электронной промышленности, получили широкое распространение точечные машины, включаемые на один полупериод переменного тока промышленной частоты.

В этих машинах магнитные системы трансформаторов не перемагничиваются. Магнитный поток изменяется по частной кривой намагничивания от Ф0 до Фmax (рис. 8.3).

Машины этого типа работают, как правило, с повышенной намагничивающей составляющей первичного тока.

Повысить степень использования магнитных систем и первичных обмоток можно, приняв меры для снижения остаточного магнитного потока Ф0. Наиболее просто снизить Ф0, применяя магнитные системы со стыковыми соединениями вместо шихтованных. Электротехнические стали обладают малыми коэрцитивными силами. Введение в магнитную систему малых воздушных зазоров позволяет снизить остаточную индукцию практически до нуля. Еще более эффективный способ состоит в принудительном перемагничивании магнитной системы трансформатора во время пауз между очередными сварками. Так как продолжительность включения однополупериодных машин невелика, такая операция не вызывает затруднений, но требует наличия источника питания малой мощности и дополнительной аппаратуры управления.

Вследствие низкого напряжения вторичные обмотки выполняют чаще всего в виде одного массивного витка. Реже используют трансформаторы с двумя вторичными витками. Такие трансформаторы, рассчитываемые на повышенное вторичное напряжение, получили применение для клещей, подвод тока к которым осуществляется с помощью кабелей. В клещах со встроенными трансформаторами с целью снижения веса также целесообразны двухвитковые вторичные обмотки.

По конструктивному исполнению обмоток рассматриваемые трансформаторы можно подразделить на две основные группы: а) трансформаторы с цилиндрическими обмотками (рис. 8.4, о); б) трансформаторы с дисковыми (или спиральными) обмотками (рис. 8.4, б).

Конструкции магнитных систем, вторичных витков и первичных обмоток обстоятельно описаны и поэтому здесь не рассмотрены. В последние годы получают распространение трансформаторы с витыми сердечниками (рис. 8.4, в, фирма «Сиаки»).

Трансформаторы для контактных машин имеют много общего с печными трансформаторами, для которых, по выражению М. Видмара, наиболее сложным является «проблема тока», т. е. создание таких конструкций обмоток, соединений и выводов, при которых добавочные потери не слишком велики. В данном случае эта задача осложняется очень широким диапазоном регулирования вторичного напряжения. Для того чтобы осуществить регулирование напряжения в заданном диапазоне и с заданной плавностью, конструктор вынужден идти на резко неравномерное распределение намагничивающих сил (н. с.) первичной обмотки. Вследствие такого распределения н. с. заметно возрастает реактивное сопротивление короткого замыкания и падает коэффициент полезного действия трансформатора.

При расчете трансформатора по рекомендуемым методиками не представляется возможным, хотя бы сугубо приближенно, оценить сопротивление короткого трансформатора с учетом реального распределения намагничивающих сил первичной обмотки. Исходя из опубликованных работ по вопросам рассеяния, невозможно дать более точные способы расчета. В основу всех этих работ положено допущение о равномерном распределении токов по сечениям отдельных проводников, образующих обмотки. Такое допущение вполне приемлемо для силовых и целого ряда других трансформаторов, однако оно совершенно непригодно для сварочных трансформаторов с цилиндрическим вторичным витком. При неравномерном распределении первичных н. с. плотность тока в цилиндрическом витке изменяется по его высоте как по абсолютной величине, так и по фазе. Во избежание существенной ошибки это явление должно быть учтено при расчете.

Трансформатор с дисковыми обмотками можно было бы рассматривать как обычный трансформатор с несколькими вторичными обмотками, соединенными параллельно. Такой случай рассмотрен Г.Н. Петровым. Для сопротивления короткого замыкания Г.Н. Петров получил следующую формулу:

в которой

zpq — сопротивление короткого замыкания, соответствующее обмоткам р и q.

Первичной обмотке соответствует индекс 1, секциям вторичного витка — индексы от 2 до n. Детерминант Dq получается из детерминанта D путем замены q-го столбца единицами. Ток в любой из параллельных обмоток (секций) может быть найден по формуле

Использование формул Г.Н. Петрова в данном случае сопряжено с рядом существенных трудностей, прежде всего с необходимостью учета влияния выводов от вторичных секций на сопротивления короткого замыкания.

Опыт показывает, что выводы увеличивают сопротивление короткого замыкания трансформатора на 20...40 %. Между тем, для оценки влияния выводов не имеется никаких данных. При расчете zpq следует учитывать также влияние вихревых токов в проводниках, увеличивающих Rpq и уменьшающих xpq. Учет влияния вихревых токов в обмотках при вычислении zpq также затруднен. Вычисления zpq сильно осложнены тем, что первичная обмотка состоит из нескольких (чаще всего 6...12) отдельных катушек. Поэтому только для определения zpq требуется значительная вычислительная работа.

Применяемая методика расчета сопротивления короткого замыкания трансформатора с дисковыми обмотками базируется на том допущении, что сумма ампервитков каждой катушечной группы, состоящей из секции вторичного витка и двух прилегающих к ней первичных катушек, равна нулю. При этом диаграмма намагничивающих сил каждой катушечной группы имеет простейшую форму (рис. 8.5). В действительности картина распределения токов по секциям вторичного витка значительно сложнее. Сопротивление выводов вторичного витка с учетом неравномерности распределения токов в них расчетом не учитывается. В результате расчет по простейшей методике, особенно при значительной несимметрии расположения намагничивающих сил первичных катушек относительно секции вторичного витка, дает сугубо ориентировочный результат.

Желательно так построить расчет сопротивления короткого замыкания трансформатора с дисковыми обмотками, чтобы была возможность учесть влияние выводов от секций вторичного витка, а также влияние вихревых токов в проводниках, из которых выполнены первичные катушки и вторичные секции. Поскольку поле рассеяния трансформатора очень сложно, особенно в области вторичных выводов, речь может идти только о приближенном расчете, основанном на ряде существенных допущений.

В связи с тем, что общие вопросы расчета трансформаторов детально освещены в литературе, в том числе и специальной, ниже мы ограничимся лишь рассмотрением вопросов, связанных с расчетами сопротивления короткого замыкания трансформаторов. Именно эта область расчетов, как уже указывалось, нуждается в дальнейшем углублении и уточнении.