第3章 弧焊变压器

(2) 负载 因变压器内部漏磁很少，漏抗 X 1 、X 2 可以略去不计；一次和 二次绕组的电阻 R1 和 R2 也可略去不计，则分体式弧焊变压器负载时的等效 电路可用图3-2-7表示。所以，在有负载电流时，其二次电压 电流大小而变，与空载电压近于相等，即 U 2 ≈ E 2 ≈ U 0 这种弧焊变压器的外特性方程式是： & & & U f = U 0 − jI f X k 或 U f = U 02 − ( I f X k ) 2 (3) 短路 这时 U
= −N1ωφ0m cos ω t = N1ωφ0m sin(ω t − 90o )
其有效值为： E10 =
N1ω φ 0m 2
= 4.44 f N1φ 0m
(3-1-1)
同理有
& E20 = 4.44 f N 2φ 0m & U1 ≈ 4.44 f N1φ 1m
令
φ 0 / φ 1= φ 0 /(φ 0 / φ L0 ) = K M
f
U 2 几乎不随
= 0 ， f = I wd I
( I wd为稳定短路电流)，从外特性方程可得：
I wd = U X k
即靠 X 限制短路电流。
k
图3-15 分体式弧焊变压器等效电路图 3. 规范调节
图3-16 BN-500型弧焊变压器外特性
这种弧焊变压器的优点是，变压器和电抗器可分别使用，易于搬动。但缺点也是 明显的：小电流时电弧稳定性差，结构不紧凑，消耗材料较多，所以目前已不生产。
f 0 f L K
令 X L + X K = X Z ，于是：
& & & U f = U 0 − jI f X Z
(3-1-14)
根据以上所述可以得出以下结论： 1) 式(3-1-12)、(3-1-13)或(3-1-14)是弧焊变压器的电压平衡方程式 ，也是弧焊变压器的外特性方程式； 2) 式(3-1-12)说明不仅二次的漏抗，而且一次的漏抗（或）也对 二次的输出电压有影响。二者增大都使变压器的外特性下降得更加 陡。
3.1 弧焊变压器的基本原理和分类
弧焊变压器的特点： 1）为稳弧要有一定的空载电压和较大的电感。 2）主要用于焊条电弧焊、埋弧焊和钨极氩弧焊，应具有 下降的外特性。 3）为了调节电弧电流、电压，外特性应可调。
3.1.1 基本原理
与普通变压器一样，可通过基本方程式、等效电路和矢量 图三个方面来分析。主要是弄清空载电压的建立，获得下 降外特性的原理和调节焊接参数的方法。
(3-1-17)
不难看出，式(3-1-17)是个以 U 0
XZ
和U 0 为其长、短轴的椭圆。外特性曲
线是该椭圆在第一象限的部分。 式(3-1-17)为表达弧焊变压器特性的椭圆方程。
3.1.2 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 不同又分为：
由正常漏磁（漏磁很少，可忽略）的变压器串联电抗器构成，按结构
1
X 式中，
R1
分别为一次绕组的漏抗和电阻。
2. 负载
如图3-2所示， 在一次绕组上施加电压 U 1 ，二次绕组与负载 R 接通。 fz
图3-2 变压器负载运行时的原理图 a）原理图 b）等效电路图 根据变压器基础知识 ,经计算可以得出：
& & & & U f = U 0 − jI 2 ( X 1′ + X 2 + X K ) − I 2 ( R1′ + R2 + RK )
（1）分体式 变压器和电抗器式独立的个体。BN系列弧焊变压器及BP-3×500型多站 ） 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，二者之间非但有电的串联，还有磁的联系。 BX2系列弧焊变压器属于此类。 增强漏磁式 在这类变压器中人为地增大了自身的漏抗，而无需再串联电抗器。按增 强和调节漏抗的方法不同又可分为： (1) 动铁心式 (2) 动线圈式 (3) 抽头式 在一、二次绕组间设置可动的磁分路，以增强和调节漏磁。BXl系列弧
3) 在二次电路串联电抗器便有感抗
X K ，也可获得下降外特性；
4) 弧焊变压器的外特性方程式也可以写成以下形式：
& If = & & U 02 − U f 2 Fra Baidu bibliotekL + XK
XK
(3-1-15)
由式(3-1-15)容易看出，改变 X L 或
& 可调节焊接电流 I f 。
。
3.1.1.2 等效电路
3.2.1 电抗器
实际上它就是带铁心的线圈。当这线圈流过交流电流Ｉ时有磁势ＩNK (NK 为电抗器线圈匝数)在铁心中产生磁通φ k 。通常 φ 是按正弦规律交变的，在
k
线圈上有自感电动势 故 Ek
= IX k
Ek 产生， = 4.44 f Nkφ km Ek
，即
X k = ω N k2 Rm
。 Ek 在交流电路中起电抗压降作用， 。由此可见，改变 R 和NK可以改变XK ,按调节XK
U&
0
=
N N
2 1
U& 1
(3-1-3)
在一般变压器理论中常忽略漏磁通，不讨论它的作用。而在弧焊变 压器中，往往要人为地增大漏磁通来加以利用。 变压器空载时有漏磁通φ 0 ，在一次绕组中也就产生了漏抗电动势 EL0 或感抗压降 I 0 X 1 。 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： & & & & E10 = −U1 + jI 0 X 1 + I 0 R1 、
& & & U1 → I 0 ( I 0 N1 ) → φ 1→ φ 0
& E10
& & E20 = U 0 & φ L0 → EL0
图3-1 变压器空载运行情况
讨论电压之间的关系。由于变压器的磁通可被看作是按正弦规律来 变化的 ，故有：
e10 = − N 1
dφ 0 d(φ 0m sin ω t ) = − N1 dt dt
3.2.2.2 多站分体式弧焊变压器
1. 结构特点 在造船、锅炉等工厂的焊接车间，焊接生产任务繁重，往往可以采 用多站式弧焊变压器集中供电。这种弧焊变压器本身必须是平的外 特性。采用多站式供电有下列优点：节省设备投资；经常处于满载 工作状态，提高了设备利用率；便于管理、维护；减少供电容量； 减少占用车间生产面积。但也有以下缺点：焊接电路是低压供电， 线路能量损耗大；焊站不可随便移动，灵活性差；工作可靠性差。 因此应视具体情况权衡利弊而选用。
图3-17 多站弧焊变压器供电方式
2. 产品介绍 国产有BP-3×500型(旧型号为BM-3×500)。由一台具有正常漏磁的 三相降压变压器和12个调节空气隙式电抗器组成，可供12个焊站使 用。由于存在上述缺点和条件所限，这种弧焊变压器应用不多。
3.2.3 同体式弧焊变压器
1. 结构特点 这种弧焊电源的结构如图3-18所示。
m
的办法不同，电抗器可分为以下几种： （1）调节空气隙式 它们的结构如图3-9所示，有双间隙与单间隙之分。 ） （2）调节线圈式 其结构如图3-10所示。它的优点是没有活动铁心，无振动 ） 问题，结构简单。 （3）饱和电抗器 其结构如图3-11所示。铁心中无空气隙和活动铁心，因而 ） 避免了上述电抗器的缺点。
I& 0 R 1 j I& 0 X 1 & − E 10
& U1
I& 0
φ&
& & E 20 = U 0
& E10
图3-5 弧焊变压器空载时的矢量图
图3-6 弧焊变压器负载时矢量图 为了便于分析弧焊变压器的外特性，还可根据式(3-1-14)或图3-4b所示简 化等效电路，画出弧焊变压器的简化矢量图于图3 -7。 图中 ，以一次电 & & & 流 I f 为参考矢量，电弧电压 U f 与 I f 同相，而 jI&f X Z 则比 I&f 导前90°。& f U & & & & 与 jI&f X Z 的矢量和为 U 0 。于是 U 0 、U f 和 jI&f X Z 三个矢量构成了以 U 0 为斜边 的直角三角形。通过该直角三角形可以分析弧焊变压器的外特性形状。当 X 不变而负载电阻减小时，使 I 和 I X 值增大，图中直角三角形的顶点 f f Z 要沿着以 U 0 为直径的半圆往下移。如虚线所示，对应的 U f 要减小。因此
Z
每改变一次
I f ，可从图上求得相应的
Uf
，作出如图3-8所示的外
特性曲线。若改变 X Z 为另一值，按上述方法可求得另一条外特性曲线。
图3-7 弧焊变压器的简化矢量图
图3-8 弧焊变压器的外特性
实际上式(3-1-14)还可写成以下形式：
I f2 U f2 + =1 (U 0 X Z ) 2 U 02
3.1.1.1 基本方程式
1. 空载 如图3-1所示在一次绕组上施加电压产生了空载电流和磁 通。磁通中的一部分经铁心闭合的为空载主磁通，它是 耦合磁通；另一部分经空气闭合的为空载漏磁通。分别 与W1、W2（一次、二次）绕组耦合，各产生感应电动 势，在二次输出端输出空载电压，上述电磁关系可表示 为：
变压器一、二次电路是靠主磁通联系起来的。根据式(31-12)可画出图3-4a所示等效电路图，即用一个等效电路代 替了两个相互间有磁联系的电路。通过它能更形象、更具体 地理解弧焊变压器的工作原理。
图3-4 弧焊变压器的等效电路 a）一般等效电路 b）简化等效电路
3.1.1.3 弧焊变压器的矢量图
在上述分析的基础上，我们可以把弧焊变压器的各量， 按其大小和相位关系画出矢量图，如图3-5所示
图3-18 同体式弧焊变压器结构示意图 2. 工作原理 它的工作原理与规范调节同于分体式，与分体式相比，不同 之处在于结构紧凑、省料，但要笨重些。由于用于小电流时有电弧不够稳 定的缺点，故宜做成大、中容量的电源，供焊条电弧焊、埋弧焊之用。它 应用很广，我国以及美国、俄罗斯都有这类产品。
焊变压器即属此类。 通过增大一、二次绕组之间距离来增强漏磁，改变绕组之间距离以资调
节。BX3系列弧焊变压器属于此类。 也是将一、二次绕组分开来增加漏磁，通过绕组抽头改变绕组匝数来调节
漏抗。BX6-120型弧焊变压器属于此类。
3.2 串联电抗器式弧焊变压器
这类弧焊电源由变压器和电抗器所组成。前者为正常 漏磁的普通降压变压器，将电网电压降至所要求的空载 电压。变压器本身的外特性是接近于平的。为了得到下 降外特性及调节电流需串联电抗器。下面将在介绍电抗 器的基础上，再分别介绍分体式和同体式弧焊变压器。
图3-14 BN型弧焊变压器结构示意图
2. 工作原理 主要讨论空载电压的建立，如何获得下降外特性以及怎样限制短路 电流的问题。 (1) 空载 这时电抗器线圈内没有电流，铁心内无磁通，线圈两端没有电 压。空载电压全靠变压器建立。因为变压器内部漏磁可略去，即 Km ≈ 1 按式(3-1-3)有：
U0 = N2 U1 N1
X2
XK
(3-1-12)
分别为变压器二次绕组的漏抗和电抗器的感抗；
R2
RK 分别为变压器二次绕组的电阻和电抗器的电阻。
图3-3 接有电抗器的弧焊变压器
R 令 X 1′ + X 2 = X L ——变压器总漏抗，而 R1′ 、 2 和 RK 值较小可以忽略，且 & & & (3-1-13) I 2 = I f 则有： U = U − jI ( X + X )
图3-9 调节空气隙式电抗器 a）单气隙式 b）、c）双气隙式 1—定铁心 2—线圈 3—动铁心
图3-12 调节线圈圈数的电抗器
图3-13 饱和电抗器
3.2.2 分体式弧焊变压器
3.2.2.1 单站分体式弧焊变压器
这种弧焊电源供单个焊工使用故称为单站式。 1. 结构特点 如图3-14所示，由变压器T和电抗器DK组成。变压器一次绕组1和二次绕组2共 同绕在二侧心柱上。一次、二次绕组之间磁的耦合紧密，漏磁很少。DK为电抗 器，装有连着传动机构的手柄3，摇动它可调节空气隙的大小。
第3章 弧焊变压器 章
3.1 弧焊变压器的基本原理和分类 3.2 串联电抗器式弧焊变压器 3.3 动铁心式弧焊变压器 3.4 动线圈式弧焊变压器 3.5 抽头式弧焊变压器
内容提要
本章主要以一般变压器理论为基础，根据 弧焊工艺的要求，阐明弧焊变压器的特殊性， 陡降外特性的获得和焊接参数的调节方法， 并介绍常见弧焊变压器的结构、原理和特点。
KM
为耦合系数，其值在0～1之间变化，
，
它说明一次、二次绕组间耦合的紧密程度。
由以上式子得到：
N & & & N & E 20 = 2 E10 = U 1 2 K M = U 0 N1 N1
(3-1-2)
式（3-1-2）说明：有漏磁时，空载电压只是由耦合磁通 φ 0 （主磁通） 建立的；当无漏磁时， K M = 1 则有：