"Класичний" перетворювач напруги - це трансформатор, розрахований на стандартні 50 Гц.
Робота трансформатора заснована на принципі взаємної індукції, який полягає у виникненні індукованого поля в провідниках, що знаходяться поблизу від інших провідників зі змінними струмами. Так якщо сила струму в контурі 1 змінюється, то в контурах 2 і 3 (рис. 1), що не містять джерело струму, виникає індуковане поле, що характеризується е.р.с. взаємної індукції E21. В обмотках 2 і 3 створюється індукційний струм. Згідно із законом електромагнітної індукції Фарадея:
де Ф - потік магнітної індукції, який створюється магнітним полем струму l1.
Магнітний потік пропорційний силі струму в контурі:
де М - взаємна індуктивність другого і першого контурів. М залежить від взаємного розташування контурів, геометричної форми і розмірів контурів, а крім того від магнітної проникності середовища, в якій знаходяться контури. При холостому ході трансформатора, коли струм у вторинній обмотці відсутня (l2,3 = 0), відношення абсолютних значень напруг на кінцях вторинних і первинної обмоток називається коефіцієнтом трансформації k.
де N кількість витків в обмотці.
Як уже згадувалося, конструкція трансформатора складається з магнітопровода, котушки з обмотками і кришки, призначені для збирання та кріплення трансформатора. Призначення муздрамтеатру полягає в тому, щоб створити для магнітного потоку замкнутий шлях, що володіє можливо меншим магнітним опором. Тому магнітопроводи трансформаторів необхідно виготовляти з матеріалів, що володіють високою магнітною проникністю в сильних змінних магнітних полях.
Рис 1. Пристрій трансформатора з двома вторинними обмотками.
Ізоляція обмотки від магнитопроводов здійснюється за допомогою каркасів, виготовлених з негігроскопіческого матеріалу з хорошою електричної і механічної міцністю. Також котушка трансформатора містить междуслоевую, межобмоточную і зовнішню ізоляцію.
Магнитопровод повинен бути добре скріплений для отримання механічно міцній конструкції. Після складання стягується обоймою, яка одночасно використовується і для кріплення трансформатора до шасі. Обойма повинна бути ізольована від муздрамтеатру папером або прессшпаном. Висновки провідників обмоток припаиваются до пелюсток, розташованим по зовнішньому периметру котушки в торцевих її частинах.
В першу чергу виготовляється котушка. Склеюється каркас. Намотується необхідну кількість витків дроту первинної обмотки. Для виключення межслоевой замикання, а також для більш рівною укладання проводів використовується межслоевой ізоляції (папір). Кінці паперу проклеюються. Потім проклеюється межобмоточная ізоляція, потрібна для ізоляції обмоток. Далі операція повторюється
У другу чергу збирається каркас. Магнитопровод збирається в стик з двох сердечників підковоподібної форми (С-образні) або Ш-подібної форми. Для отримання можливо меншого магнітного опору в місцях стику С-образних сердечників їх торцеві поверхні піддаються шліфовці. Потім, після того, як на муздрамтеатр надіта котушка, обидві половини склеюються спеціальної ферритовой пастою.
Обмотки трансформатора повинні бути добре ізольовані як від муздрамтеатру, так і один від одного. Ізоляція обмотки від муздрамтеатру здійснена за допомогою каркаса, виготовленого з електротехнічного картону (прессшпана).
Крім каркаса, що оберігає обмотки від зіткнення з магнітопроводом, котушка трансформатора містить межслоевой, межобмоточную і зовнішню ізоляцію. Межслоевой ізоляції служить для ізоляції окремих шарів кожної обмотки один від одного. Межобмоточная ізоляція служить для створення ізоляції між обмотками, а зовнішньої ізоляція охороняє обмотку від пробою на корпус і на сусідні деталі, а також від зовнішніх пошкоджень. Висновки обмоток припаиваются до пелюсток, які розміщуються на щічки каркаса. Для отримання механічно міцній конструкції і для кріплення трансформатора до основи використовується кожух.
Котушка трансформатора просочується лаком. Після закінчення зборки трансформатор маркується.
характеристики трансформатора
Електромагнітної потужністю трансформатора називається потужність, що передається з первинної обмотки у вторинну електромагнітним шляхом. Вона дорівнює добутку ЕРС цієї обмотки на величину струму навантаження, тобто
P = E2I2
Корисною, або віддається, потужністю трансформатора називається твір ефективного напруги на затискачах вторинної обмотки на величину її навантажувального струму
P2 = U2I2
Розрахунковою потужністю трансформатора називається твір ефективного струму, що протікає по обмотці, на величину напруги на її затискачах. Ця потужність характеризує собою габаритні розміри обмотки, тому що число витків обмотки визначається напругою на її затисках, а перетин дроту - ефективним струмом. Розрахункова потужність первинної обмотки дорівнює добутку напруги на її затискачах і струму, споживаного трансформатором з мережі, тобто
P1 = U1I1
Типовий, або габаритної, потужністю називається потужність, яка визначає розміри всього трансформатора. Її величину визначають за формулою
Pтіп = (P1 + P2) / 2
де P1 і P2 - розрахункові потужності обмоток трансфор-матора.
В процесі роботи трансформатора в його магнітопроводі і в його обмотках витрачається деяка частина підводиться до нього енергії і тому потужність, споживана трансформатором з мережі, завжди більше потужності, що віддається навантаженню.
Конструктивні характеристики визначаються вагою, габаритами, формою, пристосованістю до спільного розміщення з іншими елементами конструкції радіоелектронного блоку або апарату, а також пристосованістю до економічно доцільного процесу виготовлення.
Експлуатаційними характеристиками трансформатора є довговічність і надійність.
вольтамперная характеристика
Найважливіша характеристика будь-якого джерела струму - ВАХ - у нього визначена конструктивно і не може бути змінена в процесі експлуатації. Звідси посередні динамічні якості. Такий апарат має велику вагу і великі габарити, але зате надійний і практично «не вбиваємо". Якщо він обладнаний випрямлячем, то часто допускає роботу на струмі двох родів.
На сучасних моделях часто використовують тиристорне управління вихідними параметрами. Це дозволяє знизити масу і габарити, зменшити "інертність", реалізувати деякі корисні функції і поліпшити динамічні характеристики. У таких апаратів можливі корекція ВАХ і робота з дуже маленькими струмами (до 2 А). Практично всі такі джерела мають вихід тільки за постійним струмом.
При проектуванні джерел живлення для зварювальних апаратів необхідно враховувати особливості ВАХ останніх. Так, при індуктивному навантаженні (зварювальний трансформатор), зовнішня характеристика синхронного генератора має різко падає характер, причому зі зменшенням cos падіння напруги посилюється (рис.2, X> 0). При активно-ємнісний навантаження (зварювальний інвертор) cos випереджаюче і з ростом споживаного струму напруга зростає тим сильніше, чим менше cos (рис 2, X <0). При U = 0 (коротке замикання) все характеристики перетинаються в одній точці, що відповідає значенню струму трифазного короткого замикання.
Рис. 2. ВАХ зварювального апарату.
Розглянемо докладніше схему і принцип роботи зварювального апарату: розберемося в технічній реалізації апарату зварки.
Процес зварки (без подачі інертного або каталітичного газу) полягає в створенні умов для освіти електричної дуги при напрузі 50 ... 80 В між електродом і зварюються деталями і подальшим підтриманням дуги при напрузі 18 ... 25 В для розплавлення матеріалу деталей і електрода . Джерело напруги зварювального апарату повинен володіти хорошими динамічними характеристиками. Робоча напруга на дузі має швидко встановлюватися і змінюватися в залежності від довжини дуги, забезпечуючи її стійке горіння. Для постійного струму досить напруга запалювання 30 - 40 В, в той час як для змінного необхідна напруга 40 - 60 В. Час відновлення робочої напруги при короткому замиканні від 0 до 30 В не повинно перевищувати 50 мс. Струм К.З. (Короткого замикання) не повинен перевищувати робочий більш, ніж на 25 - 100% .Для цього необхідне джерело струму з так званої "падаючої" вольтамперної характеристикою.
Час відновлення робочої напруги при короткому замиканні від 0 до 30 В не повинно перевищувати 50 мс. Струм К.З. (Короткого замикання) не повинен перевищувати робочий більш, ніж на 25 - 100%. При ручного дугового зварювання зовнішня характеристика (рис. 3), джерела струму повинна бути падаючої, тобто напруга повинна зменшуватися зі збільшенням струму.
Рис. 3. Динамічна і статична характеристики зварювального апарату.
При крутий динамічної характеристиці джерела живлення динамічні струми КЗ значно менше (вони близькі до статичних струмів КЗ) і при подовжити дузі утворюється стабільна робоча точка. Перерахованим вище вимогам повною мірою відповідає джерело напруги, виконаний за схемою генератора струму. Властивості такої конструкції в повній мірі підходять і для зарядного пристрою.
На рис. 4 показана типова статична ВАХ електричної дуги. При накладенні на неї вихідний ВАХ зварювального трансформатора легко бачити, що стійкою точкою підтримки дуги є точка А, причому збільшення крутизни "падіння" характеристики зварювального трансформатора призводить до ще більшої стабілізації дуги.
Рис. 4. Статична ВАХ електричної дуги.
В апаратах змінного струму, що працюють від однофазної мережі, дуга повинна виникати при кожному напівперіод живлячої напруги, що робить більш жорсткими вимоги до апарату і матеріалу електрода, ніж при зварюванні постійним струмом або трифазним.
При виготовленні апарату дугового зварювання часто намагаються копіювати промислові зразки, які для забезпечення падаючої характеристики здебільшого виконані на основі муздрамтеатру з підвищеним магнітним розсіюванням або дроселя. В умовах домашньої лабораторії на зазначених принципах важко створити апарат з хорошими масогабаритними показниками, крім того, він нездатний задовільно працювати в режимі контактного зварювання, яка представляє для радіоаматорів великий інтерес.
Існує принцип формування "падаючої" ВАХ способом управління кутом відсічення синусоїдальної напруги, що дозволяє вирішити проблеми зниження маси апарату, а також розширити можливості його застосування. На рис. 5 показана функціональна схема зварювального апарату, що працює за цим принципом.
Напруга вторинної обмотки U2 трансформатора Т1 в момент замикання контактів комутатора струму S1 надходить на зварювальний електрод. Якщо замикати контакти комутатора в другій половині напівперіоду напруги мережі (в момент t з, рис.6, а), то початковий рівень напруги Uз забезпечить утворення електричної дуги, а падаюча характеристика буде наслідком зміни миттєвого напруги Un за синусоїдальним законом.
Рис. 5. Функціональна схема зварювального апарату.
Для апаратів, які працюють на малих значеннях зварювального струму, необхідно забезпечити крутопадаючих характеристику. Цього досягають вибором числа витків вторинної обмотки. На рис. 6, б) показано, як можна змінювати крутість характеристики при одному і тому ж напрузі запалювання дуги. Таким чином, в апараті з керуванням кутом відсічення вторинної напруги є всі умови для освіти електричної дуги і можливість регулювання потужності.
Рис. 6. Половина періоду змінної напруги на вторинній обмотці.
Іншою вимогою до апаратів є забезпечення необхідного часу відновлення напруги запалювання після замикання ланцюга електрод-деталь (краплями розплаву і т. П.) - не більше 50 мс. В апараті описуваної структури ця вимога виконується автоматично при високій швидкодії комутатора S1. Оптимізації процесу для конкретного діаметра електрода, матеріалу деталі і т. П. Домагаються вибором моменту замикання контактів комутатора S1 (t з на рис. 6, а).
При побудові зварювального апарату переважно застосування тороїдального магнітопроводу, що володіє мінімальними габаритами і полем розсіювання.
Зміною часу комутації tз можна перевести апарат в режим жорсткої вихідний характеристики, що перетворить його в потужне джерело змінного або випрямленого напруги, який може працювати, наприклад, зарядним пристроєм, або в установці точкового контактного зварювання.
Розрахунок електрозварювального трансформатора
Слід зазначити, що проведення точного розрахунку муздрамтеатру трансформатора недоцільно, так як доводиться задовольнятися тими магнитопроводами, які випускає наша промисловість. Більш того, зазвичай невідома ні марка, ні технологія прокатки електротехнічної сталі магнітопровода, а одній магнітної проникності (яку, в загальному, неважко визначити) для розрахунку недостатньо. Можна рекомендувати таку методику орієнтовного розрахунку трансформатора.
Спочатку знаходять необхідну потужність. Основним критерієм тут служить максимальний діаметр електрода, що визначає зразкову діюче значення зварювального струму. Так, для електрода діаметром 1,5 мм зварювальний струм повинен бути в межах 25 ... 40 А, для 2 мм - 60 ... 70 А, для 3 - 100 ... 140, для 4 - 160 ... 200 . Потужність трансформатора в ватах дорівнює РТР = 25 * Icв, де Icв- зварювальний струм в амперах.
Далі визначають перетин муздрамтеатру в см.кв .: S> 0,015 * Р (де Р - у ВАТ). Для магнітопроводів відмінних від тороїдального слід збільшити перетин в 1,3 ... 1,5 рази. Потім обчислюють діаметр в мм. дроти первинної обмотки: di> = 1,13 
. Діаметр в мм дроту вторинної обмотки обчислюють за формулою: dii> = 1,13 
, Де i - щільність струму в А / мм2. При струмі I, меншому 100 А, приймають i дорівнює 10 А / мм2; при струмі менш 150 А - 8 А / мм2, при струмі менш 200 А - 6 А / мм2. Якщо використовують некруглий провід, його переріз повинен бути рівним перетину круглого. У розрахунку прийнято, що середнє сумарне час горіння дуги не перевищує 20% від середнього сумарного часу пауз між періодами горіння дуги.
Тепер звичайним порядком розраховують умови заповнення обмотками вікна муздрамтеатру. Співвідношення тут не дано; нагадаємо лише про необхідність уважно поставитися до розрахунку, не забути врахувати товщину шарів ізоляції.
Як приклад можна розглянути такий варіант зварювального трансформатора. Його схема показана на рис. 7. Первинна обмотка сконструйована так, щоб можливо було варіювати число витків, включених в мережу. Намотувальні характеристики трансформатора представлені в таблиці.
Рис. 7. схема зварювального трансформатора.
Таблиця 1. Намотувальні характеристики трансформатора.
Мережевий транс-форматор апарату
обмотка
число витків
Провід, діаметр, мм (перетин, мм2)
Примітки
меншої потужності
1
40
ПЕВ-2 1,5
2 відводу: від 10-го і 220-го витка
11
240
МГШВ (0,35)
Придатний будь-який провід перетином від 0,2 до 0,75 мм 'з ізоляцією, що допускає роботу при температурі не менше +80 °
III IV-V11
20 по 5
ПВЗ (10) ПВЗ (10)
Можливе використання проводи ПВЗ перетином 6 мм2 при намотуванні в "два дроти
Мережевий транс-форматор апарату
обмотка
число витків
Провід, діаметр, мм (перетин, мм2)
Примітки
більшої потужності
1
185
ПЕВ-2 1,8
3 відведення: від 20-го, 30-го і 135-го витка
11
40
МГШВ (0,35)
Придатний будь-який провід перетином від 0,2 до 0,75 мм 2 з ізоляцією, що допускає роботу при температурі не менше +80 ° С
III IV-IX
9 по 4
(10х3) (10х3)
Можливе використання будь-якого проводу зазначеного перетину з ізоляцією, що має теплостійкість не нижче +80 ° С
Таким чином, мережеве напруга 220 В у першого з трансформаторів (рис. 7) може бути підведено до 210, 220, 230 або до 240 витків первинної обмотки, а у другого - до 115, 135, 155, 165 або до 185 витків. Це дозволяє в досить широких межах змінювати коефіцієнт трансформації і разом з комутацією сільноточних обмоток III-VII (III- IX) підбирати оптимальний режим зварювання. Для дугового зварювання сільноточние обмотки з'єднують послідовно, а для контактної - паралельно.
В мережевому трансформаторі апарату меншої потужності замість проводу ПВЗ (ГОСТ 6323-79) можна використовувати і інший, що допускає роботу при температурі до +80 ° С і має вказане розтин. Магнитопровод використаний від трансформатора ЛАТР-9 без будь-якої переробки. Первинну обмотку ізолюють стрічкою з лакоткани або, в крайньому випадку, чорної липкою тканинної ізоляційною стрічкою. При зварюванні електродами діаметром до 2 мм можливе підключення цього апарата до побутової мережі змінного струму напругою 220 В.
Апарат більшої потужності призначений для зварювання електродами діаметром до 4 мм при відповідній потужності мережі живлення. Магнитопровод складений з двох від трансформаторів ЛАТР-9, у яких внутрішній діаметр збільшений до 80 мм - видалена частина витків сталевої стрічки - для розміщення обмоток. Зняті два відрізка сталевої стрічки намотані на магнітопроводи і закріплені з зовнішньої сторони.
На висновки обмоток III-VII трансформатора апарату меншої потужності надягають і пропаивают наконечники з отвором під гвинт М5. Можна використовувати стандартні наконечники 10-5-5 (ГОСТ 7386-80), 10-5-М (ГОСТ 22002.1-82) або вирубати їх зубилом з мідного (латунного) листа товщиною не менше 1 мм. При дугового зварювання обмотки з'єднують послідовно, при контактної - паралельно, як показано на рис. 7. Число підключених обмоток може змінюватися в залежності від необхідної крутизни падаючої характеристики при дугового зварювання, або для забезпечення допустимого струму через обмотки при контактному зварюванні. В апараті більшої потужності наконечники не потрібні, отвори під гвинт М5 свердлять безпосередньо в висновках у їх кінця.
список літератури
1. Вересов Г. П. Електроживлення побутової РЕА. М., 1983.
2. Білопільський І. І., Пікалова Л. Г. Розрахунок трансформаторів і дроселів малої потужності. М.-Л .: Госенергоіздат, 1963. - 272с.
3. Сидоров І. Н., Скорняков С. В. Трансформатори побутової РЕА. М .: Радио и связь, 1994. - 367с.
4. Каретников К. А. Розрахунок трансформаторів і дроселів. М ..:, 1973. - 272с.
5. Ераносян С. А. Мережеві блоки живлення з високочастотним перетворенням. Л.: Вища школа, 1991.
6. А. С. 1317420 СРСР, МКІ 05 1/569 Джерело живлення з бестрансформаторним входом.
7. Простаков В. Г. Відкриття, винаходи. 1987.N22.
8. Петров А. Ефективний імпульсний стабілізатор напруги. Радіоаматор. N1, 1993, с. 29,
Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://academout.ru/
Дата додавання: 21.01.2007