弧 焊 电 源
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弧 焊 电 源. 主讲人 材料科学与工程学院 李中友 杨 敏 [email protected] 13075306915 [email protected] 13176699037. 参考教材 弧 焊 电 源 第三版 北京航空航天大学 郑宜庭 华 南 理 工 大 学 黄石生 机械工业出版社. 按用途. 第三章 弧焊变压器. 变压器基础知识.

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弧 焊 电 源

主讲人

材料科学与工程学院

李中友 杨 敏

[email protected]

13075306915

[email protected]

13176699037

参考教材

弧 焊 电 源

第三版

北京航空航天大学 郑宜庭

华 南 理 工 大 学 黄石生

机械工业出版社


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按用途

第三章 弧焊变压器

变压器基础知识

变压器是一种静止的电气设备, 根据电磁感应原理,将一种形态(电压、电流、相数)的交流电能, 转换成另一种形态的交流电能。

电力变压器(升压、降压、配电)

特种变压器(电炉、整流、焊接 )

仪用互感器(电压、电流互感器、脉冲变压器,阻抗匹配变压器)

实验用变压器(高压、调压)


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电力变压器

电源变压器

环形变压器

控制变压器

接触调压器

三相干式变压器

变压器实例

工厂车间变电所

焊机控制电路有时应用

焊机控制电路有时应用

控制箱中

调试以及负载实验

三相整流电源主变


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一、变压器的基本结构

  • 变压器的主要结构:铁心和绕组。

    • 铁心是变压器的磁路部分;

    • 绕组是变压器的电路部分。

铁心的作用是形成磁路。铁心通常用0.35mm或者0. 5mm厚的硅钢片冲裁成一定的形状然后叠装而成。

为减小涡流损耗,在硅钢片表面涂有绝缘漆或者经氧化处理形成绝缘层。


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奇数层

偶数层

心式变压器迭片

单相壳式变压器

心式冷轧硅钢片迭片

铁心的结构


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单相和三相芯式变压器

绕组是变压器的电路部分,一般用圆铜线或扁铜线在绕线模上绕制而成。密绕时导线需要绝缘处理

绕组(线圈)的作用是构成电流通路,接电源一边的绕组称为一次绕组,接负载一边的称为二次绕组。一次绕组的电流含有激磁电流分量,建立磁场,负载状态下的磁场是一次绕组和二次绕组磁动势向量合成的结果。

绕组的结构


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二、基本物理量

1、磁感应强度B

又称为磁通密度或磁密,磁感应强度B是表示磁场内某点磁场强度的大小和方向的物理量。

B=μH

磁感应强度B的单位:1特斯拉(T)=104高斯(Gs)

2、磁通量Φ

在均匀磁场中,磁通量Φ是磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积S的乘积。

磁通量Φ的单位:1韦伯=108麦克斯威

3、磁导率(导磁系数)μ

磁导率表示物质导磁性能的物理量,不同物质磁导率不同,真空磁导率μ0是常数, μ0 =4π×10-7H/m


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相对磁导率μr:某种物质的磁导率与真空中磁导率的比值

常用铁磁材料的相对磁导率

4、磁场强度H

磁场强度H等于该点的磁感应强度B与介质磁导率μ的比值,方向与该点的磁感应强度方向一致。


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三、铁磁材料的磁性能

1、具有高导磁率

铁磁材料中有均布的磁畴存在,磁畴是在磁性材料中包含的一些环形电流单元 ,每个单元形成一定方向的小磁体,软磁材料磁畴方向是无序分布的,有外界磁场的作用下,磁畴按照磁场方向统一取向,并使得磁场强度加强,即磁性材料产生了磁化,而且称为具有高的导磁率。


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2、具有磁饱和性能

线

磁化曲线测试装置

磁化曲线 、磁导率及磁饱和现象

(1)oa段 B和H近似为线性关系;

(2)ab段 随着H的增加,B值增加缓慢;

(3)b点以后 H增加时B几乎不增加,达到了磁饱和状态。


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几种常用铁磁材料的磁化曲线


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3、磁滞现象

磁场强度H变化(即激磁电流变化)时,磁感应强度的变化滞后于磁场强度H变化的现象称为磁滞现象。

图中

Br :剩磁

Hc :矫顽磁力

磁 滞 回 线


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铁磁材料的分类:

1)软磁材料 磁滞回线窄,其剩磁和矫顽力都很小;用于制作交流电器设备的铁心

2)硬磁材料 磁滞回线宽,剩磁和矫顽力都较大;用于制作永久磁铁

a

b

b


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涡流的产生

四、铁磁材料中的能量损耗

1、磁滞损耗 铁心在交变磁场作用下反复磁化时,磁畴克服摩擦力随着外部磁场的变化反复取向,这样所产生的热损耗称为磁滞损耗。

2、涡流损耗 当线圈中通入交流电流时,交变磁通Φ在铁心中产生感应电动势和感应电流,感应电流在铁心中形成闭合回路且呈旋涡状,故称为涡流。铁心内产生涡流时,使铁心发热,造成能量损耗称为涡流损耗。


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五、变压器的工作原理

简单的单相变压器:两个线圈没有电的直接联系, 只有磁的耦合。

原绕组(一次绕组或初级绕组):两个线圈中接交流电源的线圈,其匝数为N1

副绕组(二次绕组或次级绕组): 接到用电设备上的线圈,其匝数为N2

交变磁通同时与原、副绕组交链,在原、副绕组内感应电动势。

变压器原、副边电势之比及电压之比等于原、副边匝数之比。


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六、绝缘系统、冷却方式、允许温升

主绝缘:不同绕组之间的绝缘、绕组与铁心的绝缘、绕组对地的绝缘、绕组与介质间的绝缘、引线端子间的绝缘等。

1、绝缘:

从绝缘:绕组的匝间绝缘和绕组不同段之间的绝缘。


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变压器的发热和散热

变压器运行时,铁损、铜损和附加损耗使得变压器发热 ,

环境介质对所产生的热量进行传导散失,环境介质为气态

或液态,介质或处于静止状态或处于流动状态。

根据变压器冷却介质的种类不同,又可以分成以下两种:

2、冷却:

干式变压器:

干式浇注(成为一个模块)、干式自冷、干式凤冷,焊接变压器均采用这种类型的结构

油浸式变压器:

自冷、风冷、强迫油循环风冷、强迫油循环水冷等 。


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3、温升:

  • 绕组允许最高温度由所使用的绝缘材料,绝缘等级确定。


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弧焊变压器

主要内容:在变压器基本理论的基础上,介绍弧焊变压器的结构、获得下降外特性的原理和焊接规范的调节方法。

第一节 弧焊变压器的基本原理和分类

弧焊变压器是一种特殊的降压变压器,为了满足电弧焊工艺的要求,它们具有以下特点:

1)为了满足交流电弧稳性的要求,要有一定的空载电压和较大的电感值。

2)它们主要用于手工焊、埋弧焊和钨极氩弧焊,而这些方法都要求具有下降的外特性。

3)外特性应该能在一定的范围内调节,以便实现对焊接电流的调节,而焊接电压则由焊工操作控制或者自动调节系统控制。


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电磁关系为:

E10

U1

I0(I0.N1)

Ф0

Ф1

E20=

U0

ФL0

EL0

一、基本原理

1.空载

在一次绕组上施加电压U1 ,产生空载电流I0和磁通量Ф1 。Ф1的一部分经过铁心闭合为主磁通Ф0,另一部分经空气闭合的为漏磁通ФL0 ,主磁通Ф0与W1、W2 匝链 ,产生感应电动势E10、E20 ,在二次输出端输出空载电压U0 = E20

下面对空载电量的瞬时值、有效值、复数值表达式进行分析:


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设变压器中铁心中空载磁通量瞬时值Ф0 按照正弦规律变化,幅值为Ф0m ,初相角为零,有Ф0= Ф0msinωt ,按照电磁感应定律公式分析得出初级绕组的感应电动势瞬时值表达式为:

e10 = - N1ωФ0mcosωt= N1ωФ0msin(ωt﹣90°) (3—1)

次级绕组的感应电动势瞬时值表达式为:

e10 = - N2ωФ0mcosωt= N2ωФ0msin(ωt﹣90°)

由上式可知,感应电动势总是滞后于磁通量90°的相位角。由上面瞬时值表达式可以得到有关有效值表达式:

E10=4.44fN1Ф0m=4.44fN1BmSFe

E20=4.44fN2Ф0m =4.44fN2BmSFe

U1=4.44fN1Ф1m=4.44fN1BmSFe

E10 /U1=Φ0m /Φ1m= Φ0 /Φ1= KM

U0 =E20 = E10(N2/N1)=KMU1 (N2/N1)


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有漏磁时,空载电压只是由耦合磁通Ф0 (主磁通)建立的 ;没有漏磁时,让上页最后的式中耦合系数KM=1 得到

U0 = E20 = U1(N2 / N1)

变压器空载时有漏磁,在一次绕组中也就产生了漏感电动势或感抗压降。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:

U1+E10= jI0X1+ I0R1

移项得出

E10 = -U1 +jI0X1+ I0R1

式中X1、R1分别为一次绕组的漏抗和电阻。


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a)原理图 b)等效电路图

2.负载


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E1

U1

I1(I1.N1)

Ф

E2

ФL1

I2(I2.N2)

EL1=I1X1

ФL2

EL2=I2X2

负载情况下原理图

负载条件下的电磁关系


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在负载状态等效电路图次级回路中加入电抗器k ,并将初级回路参数X1 、R1 折算到次级为X1´,R1´,则通过推导或直接列写,均可得到完整的次级回路复数电压平衡方程式:

Uf=U0-jI2(X1´+X2+XK)-I2(R1´+R2+RK) (1)

令上式中的X1´+X2=XL ,考虑到电阻项(R1´+R2 + RK )的值很小可以忽略,而且I2=If(If为负载电流或电弧电流)则(1)式简化为

Uf=U0-jIf(XL +XK) (2)

再令XZ =XL + XK XZ为折算到次级回路的变压器总漏抗,最后得到简化的次级回路复数电压平衡方程式:

Uf=U0-jIf XZ (3)


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结论:

1.式(1)、(2)、(3)是弧焊变压器的复数电压平衡方程式,也是弧焊变压器的外特性方程式,式(3)是简化的外特性方程式。

2.增大漏电感X1和X2 都会使外特性下降得更陡。

3.在二次电路中串联附加电抗器XK ,也可以获得下降外特性

4.根据简化的复数电压平衡方程式得到负载电流有效值显式表达式:

If=(U02-Uf2)1/2/(XL+Xk)=(U02-Uf2)1/2/XZ (4)

由(4)式可知,改变焊接变压器的漏电感XL或附加电抗器电感XK都可以调节焊接电流If 。


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3、弧焊变压器的等效电路图: 根据上述弧焊变压器的电压平衡方程式(1)或者(3) ,可以画出下面完整的或者简化的折算到次级回路的等效电路图:

完整等效电路 简化等效电路


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4、利用上述简化的复数电压方程式(3)可以做出相应的电压矢量图如右图所示。

由右图所表示的几何关系可以写出电流有效值显式表达式:

弧焊变压器简化电压失量图

If=(U02-Uf2)1/2/(XL+Xk)

=(U02-Uf2)1/2/XZ

¼的椭圆

根据以上负载电流显式表达式,画出弧焊变压器的外特性曲线如右图所示,它是椭圆在第一象限中的那一部分:

弧焊变压器的外特性曲线


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二、弧焊变压器的分类

根据获得下降外特性的方法不同可分为串联电抗器式、增强漏磁式。

(一)串联电抗器式

由正常漏磁(漏磁很少,可忽略)的变压器,另外串联一个单独的电抗器构成,按结构不同又分为:

1.分体式 变压器和电抗器是两个独立的个体。BP—3X500型多站式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,二者之间不但有电的串联,还有磁的联系。BX2系列弧焊变压器属于此类。


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(二)增强漏磁式

这类变压器增大自身的漏抗,不必再串联单独的电抗器。按增强和调节漏抗的方法不同又可分为:

1.动铁心式 在一、二次绕组间设置有可移动铁心的磁分路,以增强和调节漏磁。BXl系列弧焊变压器即属此类。

2.动绕组式 通过增大一、二次绕组之间距离来增强漏磁,改变绕组之间距离进行调节。BX3系列弧焊变压器属于此类。

3.抽头式 将一、二次绕组进行不同程度的分置来增加和调节漏磁。首先对绕组进行多点抽头,通过抽头置换改变初次级绕组的分置程度,也就是改变初次级绕组的耦合程度,来调节漏抗。BX6—120型弧焊变压器属于此类。


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