《焊接电源》课程讲义第4章弧焊变压器.ppt

1,第4章 弧焊变压器,变压器在电力系统、电力拖动系统、自动控制系统以及电弧焊接系统中起着电能传输、能量转换或信号传输的作用，得到了广泛地应用。弧焊变压器是一种交流弧焊电源，具有结构简单，便于制造和维修，工作可靠性高，成本低廉等优点，主要应用于焊条电弧焊、钨极氩弧焊、埋弧焊等焊接工艺方法。弧焊变压器是一种特殊的变压器(内部输出阻抗人为增大的变压器)，变压器的基础理论仍适用于弧焊变压器。本章将重点介绍变压器的基础理论、弧焊变压器的工作原理和特点，以及几种常用的弧焊变压器,4.1 变压器基础知识,4.1.1 电与磁的常用量与基本定律1磁场的几个常用量（1）磁感应强度B 磁场是由电流产生的，表征磁场强弱及方向的物理量是磁感应强度B，它是一个矢量。磁场中各点的磁感应情况可以用闭合的磁感应矢量线（磁力线）来表示，它与产生它的电流方向可以用右螺旋定则来确定。国际单位制中，B的单位为T（特斯拉），即Wbm-2（韦伯米-2）。,2,（2）磁通 在均匀磁场中，磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积S的乘积，为通过该面积的通量，称为磁通量，简称磁通（一般情况，磁通则定义为=B BdS）。由于B=/S，B也称为磁通密度，或简称磁密。若用磁感应线来描述磁场，通过单位面积的磁感应线疏密反映了磁感应强度（磁通密度）的大小以及磁通量的多少。国际单位制中，的单位为Wb（韦伯）。,（3）磁场强度H 磁场强度H是计算磁场时所引用的一个物理量，它也是一个矢量，H的单位为Am-1。用来表示物质导磁能力的物理量为磁导率，它与磁场强度H的乘积等于磁感应强度，即BH。真空的磁导率为0，是个常数，04 10-7 Hm-1。铁磁材料的磁导率 0。任何一种物质的磁导率和真空的磁导率0的比值，称为该物质的相对磁导率r，即：,对于非磁材料，磁导率都是一个常数，而且 0，r1；而磁性材料的磁导率很高，r 1。,3,2安培环路定律,磁场强度H沿任意闭合回线l（常取磁力线作为闭合回线）的线积分，等于穿过该闭合回线所围面积的电流的代数和。若沿着回线L，磁场强度H处处相等（均匀磁场），且闭合回线所包围的总电流是由通有电流I的N匝线圈所提供，则有：HL IN,3磁路的欧姆定律,作用在磁路上的磁动势F 等于磁路内的磁通量乘以磁阻Rm。这与电路中的欧姆定律在形式上十分相似，因此，称之为磁路的欧姆定律。把磁路中的磁动势F类似于电路中的电动势E，磁通量类似于电流I，磁阻Rm类似于电阻R。,令F=IN称为磁动势，单位为A（安匝或安）；Rml/S称为磁路磁阻，单位为AWb-1，则有：F=Rm,磁动势-电动势 磁阻(Rml/S)-电阻(Rl/S)磁通量-电通量(电流),4,4电磁感应定律,穿过线圈的磁通发生变化，就会在线圈中产生感生电动势；如果线圈闭合，就会有感生电流。单个回路中产生的感生电动势e和穿过此回路的磁通量的变化率成正比，即：,这就是法拉第电磁感应定律，式中的负号表示感生电流的取向是：感生电流自身产生的磁场总是反抗原来磁通量的变化。若回路是N匝密绕的线圈，可将每匝线圈看作是一个回路，匝与匝之间是串联关系。则有：,线圈的磁通匝数或磁通链数，=N。,5,4.1.2 磁路及其计算,1.磁路如同把电流流过的路径称为电路一样，磁通所通过的路径称为磁路。不同的是磁通的路径可以是铁磁物质，也可以是非磁体。与电路相比，磁路没有开路的问题，却存在着漏磁问题。,图4-3 磁路中的磁通,6,2.磁路的基尔霍夫定律,支路：电路中的每一个分支。一条支路流过一个电流，称为支路电流。,结点：三条或三条以上支路的联接点。,回路：由支路组成的闭合路径。,网孔：内部不含支路的回路。,电路的基尔霍夫定律,7,基尔霍夫电流定律(KCL定律),定律1,即:入=出,在任一瞬间，流向任一结点的电流等于流出该结点的电流。,或:=0,对结点 a：,I1+I2=I3,或 I1+I2I3=0,8,在任一瞬间，沿任一回路循行方向，回路中各段电压的代数和恒等于零。,基尔霍夫电压定律（KVL定律),定律2,即：U=0,在任一瞬间，从回路中任一点出发，沿回路循行一周，则在这个方向上电位升之和等于电位降之和。,对回路1：,对回路2：,E1=I1 R1+I3 R3,I2 R2+I3 R3=E2,或 I1 R1+I3 R3 E1=0,或 I2 R2+I3 R3 E2=0,9,-1 23=0或=0 磁路的基尔霍夫第一定律（磁通连续性定律）,磁路的基尔霍夫第二定律（安培环路定律）,穿出或进入任何一闭合面对总磁通恒等于零。,沿任何闭合磁路的总磁动势恒等于各段磁位降的代数和。,10,4.1.3 铁心磁性材料的磁性能,为了在一定的励磁磁动势作用下能激励较强的磁场，以使变压器的尺寸缩小、重量减轻、性能改善，必须增加磁路的磁导率。所以变压器的铁心常用磁导率较高的铁磁材料制成。由于磁畴产生的磁化磁场比非铁磁物质在同一磁场强度下所激励的磁场强得多，所以铁磁材料的磁导率Fe要比非铁磁材料大得多。非铁磁材料磁导率接近于真空的磁导率0，变压器中常用的铁磁材料磁导率Fe(600010000)0。,1.磁化曲线,图4-6 磁性材料磁化曲线和磁导率曲线,磁性材料外绕线圈，线圈中通以电流I，根据I可以计算磁场强度H；再通过测量磁性材料横截面的磁通量可以计算磁感应强度B，绘出磁性材料的B-H曲线，这就是磁化曲线。,11,铁磁材料的磁化曲线可分为四段：初始阶段(曲线的oa段)，随H增加B增加较快，是初始磁化部分；第二阶段(曲线的ab段)，随H增加B增加很快，是急剧磁化阶段；第三阶段(曲线的bc段)，随H增加B增加得越来越慢；c点以后，随H增加B增加得很少，这种现象称为饱和，c点为饱和点；达到饱和以后，磁化曲线基本上成为与非铁磁材料的B=0H特性相平行的直线，见图中曲线的cd段，c点的磁感应强度值称为饱和磁感应强度Bs。,由于铁磁材料的磁化曲线不是一条直线，所以磁导率FeB/H也不是常数，将随着H值的变化而变化。进入饱和区后，Fe急剧下降，若H再增大，Fe将继续减小，直至逐渐趋近于0。图4-6中同时还示出了曲线Fe=f（H）。,磁性材料的磁导率与温度等因素也有密切关系。在高温或受到强烈振动时，磁畴会瓦解，铁磁性能被削弱；当温度超过某临界值时，磁性材料就会失去磁性，变得和弱磁材料一样，这一临界温度点称为居里点。铁的居里点为768C，镍为358C，钴为1120C。,当所用磁性材料工作于高频时，比较关注它的初始磁导率；当所用磁性材料工作于低频时，比较关注它的最大磁导率。,图4-6 磁性材料磁化曲线和磁导率曲线,H=0时的磁导率称为初始磁导率，用 表示。而，称为最大磁导率。,通常变压器和电机工作在磁化曲线的bc段及其以下区域。,12,2磁滞回线,铁磁材料所具有的这种磁感应强度B的变化滞后于磁场强度H变化的现象，叫做磁滞。呈现磁滞现象的B-H闭合回线，称为磁滞回线，磁滞回线是一具有方向性的闭合曲线，如图4-7中的曲线为：abcdefa。磁滞现象是铁磁材料的另一个特性。,图4-7 磁滞回线,Br称为剩余磁感应强度（剩磁）。为了消除剩磁，必须加上相应的反向外磁场，当H=-Hc时，B=0，Hc称为矫顽力。Br、Hc是铁磁材料的两个重要参数。,13,4.1.4 变压器常用磁性材料,磁性材料一般由铁、钴、镍等元素及其合金组成，根据磁性材料的磁性能，磁性材料可以分为两种类型：（1）软磁材料 矫顽力较小，磁滞回线较窄。一般用于制造电机、电器和变压器等的铁心。常用的有铸铁、硅钢、坡莫合金及铁氧体等。（2）硬磁材料 矫顽力较大，磁滞回线较宽。一般用于制造永久磁铁。常用的有碳钢、钴钢及铁镍铝钴合金等。很显然，变压器铁心的磁性材料应使用软磁材料（磁滞损耗小），其中又以硅钢和铁氧体最常见，前者用在工作频率较低的场合，后者用于工作频率较高的场合（高频时具有较高的磁导率）。近年来，随着以逆变技术为代表的新型弧焊电源的发展，开始使用一种新型变压器铁心磁性材料非晶态磁性材料或微晶磁性材料（高磁导率），其高频下的磁性能非常优良。,变压器常用硅钢磁性材料,弧焊变压器工作频率较低，其铁心通常采用硅钢片（又称矽钢片、电工钢片）。硅钢片的电阻率大，铁损（即铁心功率损耗）低，热导率小，硬度高，脆性大。一般使用热轧或冷轧无取向硅钢片。工业生产的硅钢片的表面都涂有一层绝缘漆，厚度一般在0.050.5mm之间；硅钢片越薄，涡流损耗越小，但生产成本提高，铁心制作的工作量增加，变压器常用的硅钢片厚度主要有0.35mm和0.5mm两种规格。,14,4.1.5 铁心损耗,1磁滞损耗铁磁材料置于交变磁场中，材料被反复交变磁化，磁畴相互不停地摩擦而消耗能量，并以产生热量的形式表现出来，造成的损耗称为磁滞损耗。分析表明，磁滞损耗与磁场交变的频率f、铁心的体积V和磁滞回线的面积成正比。由于硅钢片磁滞回线的面积较小，故电机和变压器的铁心常用硅钢片叠片制成。,2涡流损耗线圈中有铁心，并给线圈通交流电，根据安培环路定律铁心中产生的磁通量也将是变化的，在铁心内部会产生感生电动势，电动势在垂直于磁感应强度的平面上产生自成回路的电流iw，称为涡流，如图4-8。涡流会使铁心发热，引起能量损耗，称为涡流损耗。分析表明，频率越高，磁通密度越大，感应电动势就越大，涡流损耗也越大；铁心的电阻率越大，涡流所流过的路径越长，涡流损耗就越小。,15,4.2 变压器的工作原理,4.2.1 变压器工作的基本原理与结构1变压器工作的基本原理,变压器是利用电磁感应原理，将一种等级的交流电压和电流变换为频率相同的另一种或几种等级交流电压和电流的电气设备。一般的变压器由闭合铁心和两个或两个以上匝数不同、相互绝缘的线圈（绕组）构成，如图4-8所示。其中，接到交流电源的绕组称为一次绕组或原边绕组、初级绕组，用“N1”表示；连接负载的绕组称为二次绕组或副边绕组、次级绕组，用“N2”表示。,图4-8 单相变压器工作原理示意图,“动电生磁，磁动生电”,16,2变压器的基本结构,根据变压器的结构，可分为心式和壳式两类。心式变压器的特点是绕组包围铁心，如图4-9所示。壳式变压器的特点是铁心包围绕组，如图4-10所示。心式变压器结构简单，绕组套装和绝缘较易处理，因此，在弧焊变压器中得到广泛采用。壳式变压器机械强度好，铁心易散热，在焊接领域主要用在电阻焊变压器中。,图4-9 心式变压器单相心式变压器外观 b)单相心式变压器结构 c)三相心式变压器结构1铁心柱 2铁轭 3一次绕组 4二次绕组,a),b),c),图4-10 壳式变压器1铁心柱 2铁轭 3绕组,图4-11 硅钢片的叠法单相变压器的奇数层 b)单相变压器的偶数层c)三相变压器的奇数层 d)三相变压器的偶数层,a),b),c),d),17,绕组是变压器的电路部分，它由铜线或铝线绕制而成。按结构特点可分筒形和盘形两种。,图4-14 筒形绕组a)平绕绕组（宽边平行于轴线），加工容易，应用广泛b)立绕绕组（窄边平行于轴线），加工困难，减小杂散磁力线带来的附加铜损，利于散热,图4-15 盘形绕组,a),b),加工容易，维修方便。,18,3变压器的正方向与同名端,在变压器中，电压、电流、磁通和电动势的大小和方向都是随时间变化的，为了正确地表明它们之间的相位关系，必须先规定它们的正方向。规则如下：,1）在同一支路内，电压U与电流I的正方向一致；2）磁通的正方向与电流I的正方向之间符合右手螺旋定则；3）磁感应电动势E的正方向与产生它的磁通的正方向符合右手螺旋定则,根据以上规定，可得出变压器各物理量的正方向，如右图所示。U1与I1同时为正或同时为负时，功率都为正，表示一次绕组总是从电网吸收功率，即一次绕组看成是电网的负载，遵循电动机惯例。二次回路中的U2和I2正方向由E2决定，即U2、I2与E2同方向，即把二次绕组看做电源，遵循发电机惯例。,19,当主磁通交变时，高、低压绕组之间有一定的极性关系，在同一瞬间，高压绕组的某一端电位为正，低压绕组必有一端点电位也相对为正，这两个对应端点称为“同名端”，在同名端的对应端点旁用标注“”表示。同名端取决于绕组的绕制方向。这时，高、低压绕组中电压相位关系有两种可能，一种是两者同相位，另一种是两者反相位（即相差180电角度）,同名端,图4-16 单相变压器的同名端a）同相位 b）反相位,20,4.2.2 单相变压器的空载运行,变压器空载运行，是指变压器一次绕组接在额定电压的交流电源上，二次绕组开路时的工作状态，如图4-17所示,图4-17 变压器空载运行,工作过程的电磁关系分析,1.空载运行时的物理状况,21,2变压器的感应电动势与空载电流,（1）变压器的感应电动势,由于外加电源为正弦变化，所以产生的磁通也是正弦变化的，设：,（49）,（410）,（411）,（412）,若一、二次绕组产生的感应电动势、和 的瞬时值分别是e10、e20和e10，则有：,22,（413）,（414）,（415）,可见，当、按正弦变化时，由它们产生的感应电动势e10、e20和e10也按正弦规律变化，但是在相位上滞后于、磁通/2电角度，它们的有效值分别是：,23,（416）,（417）,（418）,由此可以得出感应电动势的矢量表达式如下：,（419）,L1是一个不随空载电流大小变化的常数。将其带入（418），可得：,（420）,由于变压器铁心中的磁阻很小，所以漏磁路的磁阻基本上等于空气部分的磁阻。空气是非磁性物质，其磁导率是常数，漏磁路的磁阻近似可以认为是常数。于是，漏磁通 与空载电流 的大小成正比，且相位相同。可以采用一次绕组N1的漏电感系数L1来表示二者之间的关系：,X1一次绕组的漏抗，,24,但是，由于变压器中存在着铁损，即存在着磁滞损耗与涡流损耗，因此，空载电流实际上是由两个分量组成，一个分量是建立主磁通所需要的磁化电流I0Q，它不消耗有功功率，故称无功的励磁电流，它与主磁通的相位相同；另一个分量是I0P，用来供给铁耗的有功电流，称为铁耗电流，它超前于主磁通/2电角度，与感应电动势相位相反。因此，空载电流可以表示为：,一般I0P10I0，故可以将I0认为就是励磁电流，即I0=I0Q。,3变压器空载时的电动势平衡方程式与等效电路,（1）变压器空载时的电动势平衡方程 如果考虑变压器一次绕组的电阻r1及漏磁通的影响，根据图4-17，可以得出变压器空载运行时的电磁关系：,（2）空载电流,变压器空载运行时，二次侧无电流。在这种情况下，二次绕组的存在，不会影响变压器铁心和一次绕组中的电磁情况。这时，一次绕组中空载电流的主要作用是在变压器铁心中建立磁场，产生主磁通。,25,根据电路的基尔霍夫定律，可以列出变压器空载运行时的电磁平衡方程：,式中，Z1=r1+jX1 为一次绕组的漏阻抗，单位为。对于一般的电力变压器，漏阻抗可以忽略，则：,U1与E1在数值上相等，在方向上相反，在波形上相同。,图4-17 变压器空载运行,26,（2）变压器变比K 一次绕组与二次绕组的电动势之比称为变压器的变压比，简称变比，以K表示：,K是变压器一个重要参数。K 1，是降压变压器；K 1，是升压变压器。,令：,称kM为耦合系数，它反映了一、二次绕组之间磁耦合的紧密程度，其值在01之间变化。kM=1意味着无漏磁，耦合最好；kM=0意味着完全漏磁，耦合最差。由此可知：,（425）,准确定义,27,可见，只有在kM=1时，即漏阻抗非常小，可以忽略的情况下，U1=E10，这时有：,上式是一般电力变压器中常用的变比公式，它忽略了变压器漏阻抗的影响。而弧焊变压器中的漏阻抗很大，一般不能忽略，因此，不能直接应用式（4-26），而应用下面的公式：,（426）,（427）,据此可以计算二次绕组输出的空载电压：,（428）,常用公式,精确公式,式（428）就是弧焊变压器空载时输出电压的公式。,28,（3）变压器空载时的等效电路,变压器运行时既有电路，又有电和磁的相互联系，若能用纯电路的形式“等效”地表示出来，就可使变压器分析大为简化。,前面对10产生的电动势E10用电抗X1上流过电流I0引起的压降反映了出来，同理，对于主磁通0产生的E10也可类似的引用一个参数来处理，但不同的是：0是经铁心而闭合的，参数中除了电抗外，还应考虑铁耗，故应引入一个励磁阻抗Zm=rmjXm，在流过空载电流I0时，会产生压降I0Zm，即：,式中，Zm 变压器的励磁阻抗，单位：；Xm 变压器的励磁电抗，单位：；rm 变压器的励磁电阻，单位：。Zm、Xm和rm之间存在着下列关系：,29,变压器空载运行时的等效电路，如图4-18所示。它相当于两个阻抗值不等的线圈串联，一个是阻抗值为Z1=r1+jX1的空心线圈，另一个是阻抗值为Zm=rmjXm的铁心线圈。r1、X1是常量；而rm、Xm因铁心中存在发热和饱和现象，故都是变量。它们都是虚拟值，且Xmrm，图4-18 为变压器空载时的等效电路。其物理意义是：Xm是表征铁心磁化性能的一个综合参数，主要反映了主磁通的作用，Xm随铁心饱和程度的增加而减小；rm是表征铁心发热而消耗有功功率的一个参数，主要反映了铁耗的作用。不过，在实际情况中，要求电源电压的变化范围不大，所以对应铁心中磁通量的变化范围也不是很大，Zm的值基本上可视为不变。,图4-18 变压器空载时的等值电路,漏磁,铁心损耗之等效电阻,铁心磁通之等效感抗,30,4.2.3 单相变压器的负载运行,1.负载运行时的物理状况,当二次绕组的电流增加时，一次绕组的电流就相应地增加，这就表示通过电磁感应作用，变压器可以把电能从一次侧传递到二次侧。,意味着0m基本保持不变，也就是I0N1保持不变,31,2负载运行时的基本方程式,（1）磁动势平衡方程式,（431）或,上式可以改写为：,表明，负载时，一次绕组中的电流由两部分组成，一部分为维持主磁通的励磁分量；另一部分为用以补偿二次绕组磁动势作用的负载分量。,32,（2）电动势平衡方程式,根据前面的分析，漏感电动势同样可用电抗压降的形式来表示如下：,变压器负载时各物理量电磁关系为,33,根据电路的基尔霍夫定律，可列出变压器负载运行时一次、二次绕组的电动势平衡方程式,Z1、Z2 一次、二次绕组的漏阻抗；rl、r2 一次、二次绕组的电阻；X1、X2 一次、二次绕组的漏电抗。,综上所述，可得变压器的基本方程式：,34,3变压器的等效电路,（1）变压器绕组折算,折算的原则是：折算前后磁动势、功率、损耗不变，即磁动势平衡关系、各种能量关系不变。折算方法：设想一个新的二次绕组 去代替实际的二次绕组N2。,1）二次绕组电流到一次绕组的折算：折算前后磁动势不变。,2）二次绕组电动势、电压到一次绕组的折算：折算前后磁通不变，电动势与绕组匝数成正比。,3）二次绕组阻抗的折算：折算前后二次功率、损耗等各种能量关系不变。,35,折算后变压器负载运行时的基本方程式将变为如下形式：,（2）等效电路,利用折算变压器的基本方程式（4-42）可导出变压器负载运行时的等效电路如图422所示。,（442）,36,图4-20 变压器部分等效电路,a）一次绕组部分 b）励磁部分 c）二次绕组部分,a）b）c）,37,图4-21 变压器“T”型等效电路,“T”型等效电路虽然客观地反映了变压器内部的电磁关系，但它是一混联电路，进行复数运算较麻烦。在实际电力变压器中，I0 2 10 I1N，因此，I0可忽略不计，即将励磁支路去掉，从而得到一个简化的串联电路，称为简化等效电路，如图4-22所示。,38,简化等效电路对应的电压平衡方程式为：,图4-22 变压器简化等效电路,短路阻抗为：,39,图4-23 一次折算到二次变压器简化等效电路,弧焊变压器更常用的简化等效电路：将一次绕组折算到二次的方法。,折算的原则是：折算前后磁动势、功率、损耗不变，即磁动势平衡关系、各种能量关系不变。折算方法：设想一个新的一次绕组 去代替实际的二次绕组N1。,短路阻抗为：,40,表4-2 变压器等效电路折算表,41,4.2.4 变压器的外特性,当输入电压U1和负载功率因数cos2为常数时，变压器输出电压U2随负载电流I2变化的关系曲线，称为变压器的外特性，亦即变压器的输出特性，记作U2=f(I2)。其相应的曲线称为外特性曲线。,对于电力变压器，希望U2的变化越小越好。从空载到额定负载，变压器二次侧端电压随负载变化的程度用电压调整率u来表示，即,在电力变压器中，制造工艺可使一、二次绕组耦合得很好，漏磁很小，而且内阻也很小，因此，电压变化率u并不大，约为5%左右；但在弧焊变压器中，因为弧焊工艺的要求，需要变压器有较大的漏磁，因此，弧焊变压器外特性曲线为下降特性，u可达50%。,对于纯电阻或纯电感性负载，当输入电压U1和负载功率因数cos2不变时，随I2增加U2会减小，变压器外特性曲线形状是下降的。cos2越小，外特性曲线下降越快。变压器的漏磁或内阻越大，外特性下降程度越大。变压器内部的漏阻抗是变压器外特性曲线形状的决定性因素。,42,4.3 弧焊变压器的下降外特性及其分类,（1）弧焊变压器主要用于焊条电弧焊、埋弧焊和TIG焊等，根据电弧特性以及焊接工艺特性的要求，弧焊变压器应具有下降的外特性。（2）弧焊变压器的负载是交流电弧，为了使电弧易于引燃并能保证交流电弧的稳定燃烧，要求弧焊电源应具有足够高的空载电压，并且在焊接回路中有足够大的感抗，这是缩小电压过零熄弧时间的有效手段；足够大的感抗也是弧焊变压器获得下降外特性的重要方法之一。（3）为了满足弧焊变压器的调节性能，要求焊接回路的感抗值能够调节。,4.3.1 弧焊变压器的外特性,弧焊变压器的负载是交流电弧，其电弧负载的压降为Uf，根据变压器工作的基本原理及其等效电路的分析方法，可以得到图4-28所示的弧焊电源与电弧负载的简化等效电路。其中，Xk与Rk为弧焊变压器与电弧之间的线间感抗与电阻，也包括外加的感抗或电阻。,43,图4-31 弧焊变压器简化等效电路,列出电势平衡方程：,（4-49）,RL变压器总的等效内阻XL变压器总的等效漏抗 变压器二次回路的二次电流,44,式（4-49）就是变压器的外特性方程，当RL+Rk或XL+Xk较大时，随着电流If的增大，电弧电压Uf降低，即变压器的外特性为下降特性。,弧焊变压器获得下降外特性的方法：采用增大变压器自身的漏抗或外加串联电抗器，而且还可以使交流电弧的电流滞后于电源电压的变化，从而保证了交流电弧连续燃烧。,由于弧焊变压器的内阻和线间电阻很小，可以忽略，因此，图4-31为弧焊变压器的进一步简化等效电路，其外特性方程可以由式（4-50）表示：,（450）,为变压器的等效感抗,45,弧焊变压器椭圆外特性的数学解释：,（4-52）,应当指出的是：实际的弧焊变压器外特性不是标准的椭圆，有所变异。原因是不能完全排除纯电阻的影响，感抗也可能随电流的变化而变化。,（4-51）,46,4.3.2 弧焊变压器的调节特性,弧焊变压器的外特性又可以写成,式（4-53）就是弧焊变压器调节特性方程式。因此，在弧焊变压器中，只要调节获得下降外特性的变压器自身的漏抗或者串联电抗器的感抗值，就可以得到一组外特性曲线，从而实现弧焊变压器输出电流的调节。因此，在弧焊变压器中，为获得下降特性的感抗必须能够调节。由于获得下降特性的感抗值大小与弧焊变压器的结构有关，因此，在弧焊变压器中一般采用机械的方法来实现外特性即输出电流的调节，即外特性调节需要一机械调节机构。,（453）,调节自身漏抗,调节外加感抗,机械式调节,不同的调节方式也决定了弧焊变压器的分类,47,4.3.3 弧焊变压器的损耗与效率,1.变压器的损耗,（1）铁耗（空载损耗）铁心的磁滞损耗与涡流损耗。（2）铜耗（负载损耗）一次、二次绕组内电流所引起的直流电阻损耗。,2.弧焊变压器的效率,U2I2弧焊变压器的输出功率（kW）；P1弧焊变压器的输入有功功率（kW）。,3.弧焊变压器的功率因数,U1I1弧焊变压器的实在功率SN（kW）；P1弧焊变压器的输入有功功率（kW）。,48,4.3.4 弧焊变压器的分类,1.串联电抗器式弧焊变压器（正常漏磁变压器+电抗器）,（1）分体式 变压器和电抗器相互独立，只有电路上的联系，无磁的联系，例如，BP-3500型弧焊变压器属于此类。（2）同体式 变压器铁心和电抗器铁心联成一体，两者之间既有电路上的联系，又有磁的联系，BX2系列弧焊变压器属于此类。,2.增强漏磁式弧焊变压器（认为增大变压器自身漏磁，无需外加电抗器）,（1）抽头式：一、二次绕组分开绕制而增大漏磁，通过绕组抽头的变化调节漏磁。BX6系列弧焊变压器属于此类。（2）动铁心式：一、二次绕组分开绕制，并且在一、二次绕组之间增加一活动铁心，产生磁分路来增强变压器的漏磁，通过调节活动铁心的位置可以调节漏磁。BX1系列弧焊变压器属于此类。（3）动绕组式：一、二次绕组分开绕制，并且增大一、二次绕组之间的距离来增强漏磁，通过改变一、二次绕组间距来调节漏磁。BX3系列弧焊变压器属于此类。,49,4.4 增强漏磁式弧焊变压器,4.4.1 动铁心式弧焊变压器,1.变压器的结构,a）b）,动铁心式弧焊变压器的结构如图4-35所示。变压器的一、二次绕组分绕在变压器口字型铁心上，因此，其空气漏磁较大，磁耦合得不紧密；而且在口字型铁心的中间加入一个可以移动的铁心，称为动铁心，动铁心形成磁分路，减小了漏磁磁路的磁阻，使变压器的漏磁显著增强。,50,2.工作原理,（1）空载,空载条件下，一次绕组N1输入电压U1，变压器中的磁通分布如图4-36所示。变压器的磁通由三部分组成：经变压器静铁心与一、二次绕组耦合的主磁通0；通过空气闭合，只与一次绕组N1本身耦合的漏磁通10；由于附设动铁心而增加的，被称为一次附加漏磁通的f10。,图4-36 空载磁通分布示意图,此时，变压器的耦合系数kM为：kM=0/(0+10+f10),51,根据式（4-28）可知空载电压为：,U1是电网电压，在变压器工作时基本不变，因此弧焊变压器空载电压U0的大小主要与N2/N1和kM有关。调节动铁心的位置，会影响kM，进而影响U0的大小：当动铁心移出变压器铁心窗口时，f10磁路的磁阻增大，f10减小，kM增大，U0增大；反之，U0减小。动铁心位置的不同会造成U0数伏的差别。,（2）负载,负载条件下，动铁心式弧焊变压器的磁通分布如图4-37所示。此时，变压器工作的主磁通是由一、二次绕组的磁动势共同建立的。而一、二次绕组除各自产生漏磁通1和2外，还分别产生了附加漏磁通f1和f2。所以变压器除了空气漏磁产生的漏抗X1和X2外，还有附加漏磁通产生的附加漏抗Xf1和Xf2。,52,根据变压器等效电路折算方法，将一次折算到二次后，变压器总的等效漏抗为：,因此，动铁心弧焊变压器外特性方程为：,很显然，动铁心式弧焊变压器的外特性为下降的外特性。,3.调节特性,根据式（4-59），动铁心式弧焊变压器的外特性方程又可以写成：,或者,（4-59）,53,在动铁心式弧焊变压器中，由于XL与动铁心无关，通过调节动铁心的位置只能改变XfL，从而改变XZL，来实现对焊接电流的调节。,根据有关的电磁理论可知，带铁心的绕组产生的感抗X与绕组匝数N的平方成正比，而与磁路中的磁阻Rm成反比，即：,在动铁心式弧焊变压器的附加漏抗XfL中，Rm是指附加漏磁通f所经过的磁路的磁阻，该磁阻包括两部分：一部分是空气隙部分的磁阻，另一部分是动铁心部分的磁阻，见图4-37。由于铁心材料的磁导率要远远大于空气隙，因而铁心部分的磁阻远小于空气隙，可以忽略。所以，附加漏磁通f所经过的磁路的磁阻Rm=/(0S)，则有：,54,式（4-61）中，0是空气磁导率，为变压器静铁心与动铁心之间空气隙的距离，S是变压器静铁心与动铁心之间附加漏磁通所经过的空气隙的截面积（动铁心有效截面积，在不大的情况下，近似等于动铁心位于变压器铁心窗口内的那一部分截面积）。调节动铁心的位置，即调节了和S，从而调节了附加漏抗XfL。,（4-61）,55,在图4-38a中，当矩形动铁心移入时，不变，但S增大，使XfL增大，XZL增大，kM减小U0降低，电流If 减小；当矩形动铁心移出时，不变，但S减小，使XfL减小，XZL减小，kM增大，U0增大，电流If 增大。,图4-38b为梯形动铁心与静铁心配合的示意图。梯形铁心位置变化时，不仅S变化，而且也随之变化。梯形动铁心在最里位置时，很小，接近于零，因而XfL最大值比条件相当的矩形动铁心的大，电流调节的下限较小；反之，当梯形动铁心在最外位置时，比矩形动铁心的要大，XfL最小值比条件相当的矩形动铁心的小，电流调节的上限较大。所以，梯形动铁心弧焊变压器的电流调节范围更宽，因此，目前采用梯形动铁心的比较广泛。,56,图4-39为变压器动铁心极限位置和对应的外特性曲线示意图。当变压器动铁心位置在两极限位置之间时，对应的外特性也处于最小和最大的外特性曲线之间，即外特性的调节只能在最小和最大的外特性曲线之间的范围内进行。,57,4特点,（1）动铁心式弧焊变压器是目前常用的弧焊变压器之一，这类变压器的内部漏抗足够大，不必外加电抗器就可以获得下降的外特性。（2）动铁心式弧焊变压器结构简单、调节方便，易造好用。（3）但是，由于有动铁心，存在着动铁心的轻微振动，但不至于影响焊接电流的稳定。（4）由于有两个空气隙，使附加损耗增大，故适于中、小容量的产品。,58,国产动铁心式弧焊变压器是BX1系列，有BX1-160、BX-250、BX1-315、BX1-500等多种规格。图4-40为某厂生产的BX1-315弧焊变压器的外特性曲线，其电流调节范围为：75400A。,5实例,59,4.4.2 动绕组式弧焊变压器,1.变压器的结构,图4-41为动绕组式弧焊变压器的结构图。变压器的一、二次绕组N1、N2分绕在变压器铁心上，N1与N2之间有一定的距离12，因此，变压器存在着较大的漏磁。使变压器一、二次之间的耦合不紧密。N2在变压器铁心的下方固定不动，N1在上方，转动手柄可以调节N1的上下位置，使N1与N2之间的距离12发生变化，从而改变了变压器一、二次之间的耦合程度。当12变化时，变压器的漏磁发生变化，变压器的漏抗随之变化。为了获得一定数值的可调漏抗，一、二次绕组间的距离必须足够大，因此，动绕组式弧焊变压器的铁心窄而高。,60,2.工作原理,动绕组式弧焊变压器中没有活动铁心，它是依靠增大一、二次绕组之间的距离来增强变压器的漏磁，从而获得下降的外特性。,（1）空载,空载条件下的动绕组式弧焊变压器的磁通分布如图4-42所示。输入电压U1加到变压器的一次绕组N1上，产生主磁通0和空气漏磁通10。0占有较大比例，与二次绕组匝链，在二次产生空载电压U0。此时，变压器的耦合系数kM=0/(0+10)。当N1与N2之间的距离12较大时，空气漏磁通10较大，kM较小，空载电压U0较小，反之，空载电压U0较大。,图4-42 空载磁通分布,61,（2）负载,负载条件下，变压器主磁通是由一、二次绕组在铁心中产生的磁通合成的。一、二次绕组也会产生空气漏磁通1和2，进而产生漏抗X1和X2，其磁通分布如图4-43所示。根据变压器的工作原理和折算方法，将一次折算到二次后，变压器总的等效漏抗为：,图4-43 负载磁通分布,62,动绕组弧焊变压器外特性方程为：,可见，动绕组式弧焊变压器的外特性方程也是类似于椭圆方程，是下降特性。当If=0，即空载时，Uf=U0；当Uf=0，即短路时，If=U0/XzL；XzL可以限制短路电流的大小。,3.调节特性,动绕组式弧焊变压器的漏抗的近似计算公式如下：,式中，K、A是与变压器结构有关的常数。可见，影响XZL的参数主要是N1与N2之间的距离12和二次绕组匝数N2。,（4-62）,63,（1）12对外特性曲线的影响,如图4-44所示，当活动绕组N1位于最上端时，N1与N2之间的距离12为最大值，漏磁通最大，耦合系数kM最小，空载电压U0为最小值，电流If为最小值，对应输出下限的外特性；当N1位于最下端，12为最小值，漏磁通最小，耦合系数kM最大，空载电压U0为最大值，电流If为最大值，对应上限的外特性。在N2不变的条件下，12调节范围的上下限也就决定了此种条件下的外特性曲线的两个极限位置。由于变压器铁心高度的限制，单纯的调节12，往往不能满足输出电流调节范围的要求。,64,（2）绕组匝数对外特性曲线的影响,根据式（4-62）可知，XZL与N2的平方成正比，N2的变化对XZL的影响很大。改变N2可以调节XZL，可以调节电源的外特性。而N2的调节一般是有级的、非连续的，因此，在变压器输出电流粗调时可以采用调节N2的方法。但为了保证空载电压基本不变，调节N2的同时还要对N1进行适当的调节。,4.特点,（1）是目前常用的增强漏磁式弧焊变压器之一，不必外加电抗器就可以获得下降的外特性。（2）没有活动铁心，避免了由于铁心振动所引起的小电流时电弧不稳定等问题。（3）但是，其电流调节的下限受铁心高度的限制，因而主要适用于中等容量的电源。（4）由于要辅以改变绕组匝数的方法来有级调节电流，因此使用不如动铁心式弧焊变压器方便。（5）另外，消耗材料较多，经济性较差。,65,5.实例,我国的动绕组式弧焊变压器为BX3系列，如BX3-160、BX3-250、BX3-315、BX3-500等。图4-45为某厂生产的BX3-500弧焊变压器的外特性曲线。图中曲线1、2为小电流档时的外特性曲线，曲线3、4为大电流档时的外特性曲线。,66,4.4.3 抽头式弧焊变压器,1.变压器的结构,如图4-46所示，变压器的一次绕组N1分为N11和N12两部分，N12与二次绕组N2绕在同一铁心柱上，二者耦合比较紧密，漏磁很少，N12可称为一次非漏磁绕组；N11单独绕在另一铁心柱上，与二次绕组N2较远，耦合不紧密，漏磁较大，N11可称为一次漏磁绕组。N11和N12各有一部分抽头，S1、S2是双刀同轴开关，通过此开关可以改变抽头位置。但是，改变抽头位置时，一次绕组匝数N1=N11+N12应保持不变。,67,2.工作原理,（1）空载,图4-47为空载时的抽头式弧焊变压器的磁通分布图。一次绕组产生主磁通0与N2匝链，N11产生漏磁通10，N12产生的漏磁可忽略不计，则：,68,从而可得：,（4-64）,（2）负载,负载时的磁通分布如图4-48所示。主磁通在铁心内与一、二次绕组匝链，漏磁通由N11产生的1和N12产生的2两部分组成，相应产生漏抗X1和X2。这类弧焊变压器的总漏抗可用下述经验公式计算：,（4-65）,kM=0m/(0m+10m)，为耦合系数。,69,上式中，K是变压器结构决定的系数，为重合率。,其定义式为：,抽头式弧焊变压器的外特性方程为：,该参数反映了初次级绕组的耦合紧密程度。,抽头式弧焊变压器因XL的存在，其外特性为下降特性，而XL受到的影响很大，当与N2耦合较紧密的N12匝数减小，则减小，XL增大，外特性曲线变陡，反之亦然。,70,3.调节特性,其外特性又可以写成如下形式：,调节XL，可以调节外特性。调节值可以调节XL。从图4-48可以看出，在一次绕组上有很多抽头，当改变抽头时，一般要保持N1=N11+N12基本不变，亦即N11增加时，N12减小，但是，此时值会减小，反之亦然。这样U0基本保持不变（利于电弧稳定），而外特性曲线则会随的增加、XL的减小向右移动，如图4-49所示。,当=0，即N11=0时，XL最大，外特性曲线在最左边；当为最大值时，XL最小，外特性曲线在最右边。在抽头式弧焊变压器中，XL的调节范围有限，且只能有级调节，为了加大电流的调节范围，有时也将N2进行抽头调节。,71,4.特点,（1）抽头式弧焊变压器一般做成便携式，适用于小容量电源。（2）负载持续率低，结构较紧凑，体积小，成本低，（3）无活动部分，易于制造，可靠性较高，电弧较为稳定。（4）适用于维修、移动作业、登高作业等场合。（5）负载持续率较低，只适于短时间燃弧焊接的情况。,我国制造的这类弧焊变压器属于BX6系列，如某生产厂家生产的BX6-160抽头式弧焊变压器，电流调节范围为：35A190A，额定负载持续率10%，重量约为20kg。,5.实例,72,4.5 串联电抗器式弧焊变压器,这类弧焊变压器是由一个正常漏磁的变压器与串联的电抗器组成。变压器本身的漏磁很少，其输出外特性是平缓下降的，接近于平特性。变压器只负