Transformatorul de sudura

Transformatorul de sudura

1. Generalitati

Transformatoarele de sudura constituie o categorie importanta de surse ce realizeaza alimentarea arcului electric de c.a. Intocmai ca generatoarele de c.c. si aceste transformatoare trebuie sa asigure:

arderea neintrerupta a arcului electric;

variatia cat mai redusa a curentului de sarcina la variatii oricat de mari ale lungimii (si deci tensiunii) arcului.

In acest scop ele trebuie sa posede o caracteristica externa puternic cazatoa-re, obtinuta cu ajutorul unei bobine montate frecvent in secundarul transfor-matorului. Aceasta bobina permite defazarea corespunzatoare a curentului fata de tensiunea din arc, pentru a asigura reaprinderea arcului la inceputul fiecarei semi-perioade de variatie a marimilor. Transformatoarele prezentate in cele ce urmeaza sunt destinate in mod special sudurii cu arc electric, ce au:

tensiunea secundara la functionarea in gol necesara aprinderii arcului de 65-80 V;

tensiunea de functionare in sarcina de 15-35 V.

Diferenta relativ mare intre cele doua tensiuni se datoreste caracterului pu-ternic cazator al caracteristicii lor externe. Transformatoarele de sudura se clasifica in functie de modul de realizare al reactantei secundare necesare pentru obtinerea caracteristicii externe de forma dorita.

2. Transformatorul cu bobina separata inseriata in circuitul secundar

Schema de principiu a transformatorului cu bobina de balast cu miez de fier reglabila in secundar este prezentata in fig.2.50 a, iar schema echivalenta simplifi-cata in fig.2.50 b in care Z_b este impedanta bobinei de balast ce permite obtinerea unei caracteristici externe cazatoare (fig.2.51).

a) b)

Fig.2.50 Transformator de sudare (TS) cu inductanta separata (B) in circuitul de sudare:

a) schema de principiu; b) schema echivalenta simplificata.

Fig.2.51 Caracteristica externa a transformatorului de sudare.

Bobinele de balast se realizeaza cu miez de fier, cu unul sau mai multe intre-fieruri reglabile (fig.2.52) ce permit modificarea regimului de sudare intr-un dome-niu larg prin:

Fig.2.52 Bobina de balast cu intrefier reglabil: a-in coloana cu intrefier;

b-in manta cu un intrefier; c,d-in coloana cu doua intrefieruri.

modificarea raportului de transformare k prin schimbarea numarului de spire indeosebi a infasurarii secundare prevazuta in acest sens cu un numar oarecare de prize intermediare; metoda prezinta inconvenientul ca reglarea curentului se face numai in trepte, iar modificarea raportului de transformare k schimba tensiunea de functionare in gol (fig.2.53 a) potrivit relatiei:

U_s0=U_a0=U₂₀U₁  (2.96)

modificarea inductantei bobinei de balast ce inlatura dezavantajele pri-mei metode si permite obtinerea familiei de caracteristici din fig.2.53 b.

Inductanta L_b= a bobinei de balast poate fi modificata in trepte prin intermediul unor prize (respectiv prin modificarea numarului de spire w_b) fie con-tinuu prin modificarea reluctantei _m a circuitului magnetic pe care se dispune bobina. In majoritatea cazurilor se recurge la modificarea reluctantei _m a circui-tului magnetic prin:

modificarea lungimii intrefierului δ (fig.2.52 a, b, c, d) realizabila prin deplasa-rea armaturii mobile cu ajutorul unui mecanism cu surub manual sau cu coman-da automata. Din expresia reluctantei circuitului magnetic al bobinei

_m = (2.97)

se constata ca ponderea termenului este neansemnata (=foarte mare) rezultand ca reluctanta magnetica _m creste aproape direct proportional cu lungimea a intrefierului, rezultand posibilitati largi de reglaj. Se face precizarea ca pentru >(6-7) mm aceasta crestere tinde a se plafona datorita cresterii simul-tane a ariei A, prin efectul de relaxare a liniilor campului magnetic in intrefier.

c)

b)

a)

Fig.2.53 Familia de caracteristici externe ale transformatoarelor de sudare:

a-obtinute prin schimbarea raportului de transformare;

b-obtinute prin schimbarea reactantei X_b; c-metoda combinata.

Sub acest aspect, mai avantajoase sunt circuitele magnetice cu intrefier dublu (fig.2.52 c, d) desi la cele cu un intrefier, reluctanta minima (corespunzatoare lui_min) este de doua ori mai mica incat si limita inferioara de reglare a curentului de sudare este mai coborata. Aceasta solutie prezinta inconvenientul aparitiei vi-bratiilor in miezul magnetic datorita magnetostrictiunii, vibratii ce conduc la uzura armaturii mobile.

Fig.2.54 Modificarea caracteristicii externe prin variatia sectiunii de trecere

a fluxului magnetic cu ajutorul unui pachet mobil de tole dispuse:

a-perpendicular pe tolele miezului; b-paralel cu acesta.

modificarea sectiunii de trecere a fluxului magnetic prin intercalarea in miezul magnetic al bobinei a unui pachet mobil de tole (fig.2.54 a,b) perpen-diculare sau paralele cu tolele miezului bobinei.

Se observa din fig.2.54 a, ca la dispunerea perpendiculara a tolelor pachetu-lui mobil pe directia tolelor miezului bobinei, rezulta o sectiune mai mare decat in cazul dispunerii paralele, la aceeasi deplasare a miezului, efectul de reglare fiind mai consistent.

modificarea permeabilitatii circuitului magnetic prin inzestrarea circuitului magnetic cu o coloana suplimentara pe care se plaseaza o infasurare de exci-tatie alimentata in c.c. de intensitate I_c (fig.2.55).

Fig.2.55 Modificarea caracteristicii externe prin variatia permeabilitatii circuitului magnetic.

Fluxul magnetic Φ_c creat de curentul I_c determina o stare de premagnetizare a miezului magnetic, modificandu-se astfel pozitia punctului de functionare pe caracteristica de magnetizare a materialului feromagnetic, respectiv se modifica permeabilitatea magnetica μ_Fe ce intra in calculul reluctantei magnetice _m.

Avantajele solutiei prezentate sunt:

lipsa pieselor mobile in miscare;

eliminarea vibratiilor in functionare;

reglarea continuua si intr-un domeniu larg al curentului de sarcina;

reglarea poate fi facuta chiar de la distanta printr-un reostat de dimensiuni reduse.

In practica se utilizeaza combinat cele doua metode de reglare, reglarea in trepte realizata prin modificarea numarului de spire din secundarul transforma-torului fiind imbinata cu reglarea fina continuua obtinuta prin variatia reluctantei bobinei de balast. Se remarca faptul ca prezenta bobinei de balast face ca factorul de putere global sa fie redus (0,3 - 0,5) iar comportarea neliniara a miezului fero-magnetic al bobinei imprima un caracter deformant regimului normal de functio-nare a instalatiei de sudare.

3. Transformatorul cu circuit magnetic comun cu bobina de balast

In aceasta situatie circuitul magnetic al transformatorului are o latura comu-na cu miezul bobinei de balast (fig.2.56).

Fig.2.56 Transformatorul cu circuit magnetic comun cu bobina de balast.

Se noteaza prin:

w₁, w₂ - numerele de spire ale infasurarilor primare (1) si secundare (2) ale  transformatorului;

3 - infasurarea bobinei de balast cu w_b spire;

a - latura circuitului magnetic pe care se dispun infasurarile transformatorului;

b - latura circuitului magnetic proprie numai bobinei de balast;

c - jugul comun al transformatorului si bobinei.

Infasurarea secundara (2) se inseriaza cu infasurarea (3) a bobinei de balast diferential sau aditional dupa sensul de bobinare al acestor doua infasurari. Regla-rea regimului de functionare se face de obicei prin:

combinarea metodei de variatie in trepte a tensiunii de functionare in gol respectiv de modificare a raportului de transfomare cu ajutorul unor prize prevazute pe infasurarea de joasa tensiune a transformatorului;

metoda de reglare continuua a reluctantei laturii (b) adica a inductantei L_b a bobinei de balast.

Solutiile de variatie a reluctantei _mb a laturii (b) sunt indicate in fig.2.57.

Fig.2.57 Solutii constructive de variatie a reluctantei laturii de

circuit magnetic care poarta bobina de balast

Fig.2.58 Transformatorul cu sunt magnetic.

Varianta constructiva precedenta poate fi imbunatatita prin suprimarea intre-fierului laturii de circuit magnetic pe care se dispune bobina de balast, prevazandu-se in schimb un intrefier variabil (ce asigura reglajul fin si continuu al regimului de functionare, in jugul comun (c) numit sunt magnetic al transformatorului (fig.2.58).

In aceasta situatie, circuitul magnetic se realizeaza de obicei simetric fata de sunt, iar bobina de balast se inseriaza simplu cu infasurarea secundara a transfor-matorului.

Reglarea regimului de functionare se face in principal in mod continuu, prin variatia reluctantei _mc a suntului, insa in scopul evitarii supradimensionarii exa-gerate a acestui element, metoda se combina cu reglarea in trepte (modificarea simultana a numarului de spire al infasurarii secundare al bobinei de balast) incat suma w₂ + k_abw_b sa fie tot timpul constanta.

Ultima operatie este mai usor de efectuat cu cat bobina de balast se contopeste cu infasurarea secundara a transformatorului, constructia astfel obtinuta avand avantajul simplitatii in realizare si al unei mai bune utilizari a materialelor active. Unele solutii constructive des utilizate sunt indicate in fig.2.59.

Fig.2.59 Solutii constructive de realizare a unei dispersii variabile la transformatorul cu sunt magnetic: a, b-reglarea pozitiei suntului magnetic; c, d-geometria dispunerii infasurarilor;

e-modificarea permeabilitatii magnetice a materialului prin premagnetizarea sa in c.c.

4. Transformatoare de sudura prin puncte

Transformatoarele de sudare prin puncte se utilizeaza la sudarea tablelor metalice de grosimi diferite (fig.2.60), operatie ieftina si rapida in comparatie cu imbinarea prin nituri.

Fig.2.60 Schema de sudare prin puncte: a-schema cu electrozi cap la cap; b-schema cu placa de cupru si doi electrozi; c-schema cu placa de cupru si un electrod; d-schema cu doua placi.

Instalatia de sudare se compune din doua parti:

prima parte contine transformatorul impreuna cu dispozitivele de prindere si sustinere a electrozilor;

a doua parte constituie instalatia electronica de temporizare a inchiderii si deschiderii alimentarii transformatorului, asigurand:

inchiderea circuitului de alimentare cu tensiune a transformatorului dupa ce electrozii au atins tolele de sudat cu ajutorul unui contact auxiliar;

dechiderea circuitului de alimentare in mod automat dupa un anumit timp, reglat in functie de grosimea tablelor; astfel se elimina formarea arcului electric in punctul de sudare, care ar degrada sudura sau in cazul curentilor foarte mari ar constitui un pericol pentru sudor.

Reglajul curentului secundar al transformatorului se face combinand utiliza-rea prizelor de tensiune din primarul transformatorului (reglaj grosier) cu reglajul timpului de sudare a instalatiei de temporizare (reglaj fin).

Transformatorul de sudare prin puncte trebuie sa indeplineasca urmatoarele conditii:

sa aiba tensiunea secundara la functionarea in gol U₂₀(3.8)V;

sa aiba o singura spira in secundar (w₂=1).

Pentru aceste transformatoare uzual =0,80,96 iar cos=0,50,8.

5. Transformatoare pentru instalatiile de redresare

Cresterea performantelor functionale ale elementelor semiconductoare pro-duse pe scara industriala (in special in privinta puterii, curentului si a frecventei de comutatie) a condus la revenirea in actualitate a instalatiilor de redresare care permit alimentarea unor receptoare ce functioneaza in c.c. de la o retea mono sau trifazata de c.a. In cazul in care tensiunea retelei de alimentare difera de tensiunea nominala a receptorului, alimentarea instalatiei de redresare nu se poate face direct, ci numai prin intermediul unui transformator.

Studiul acestor transformatoare ridica probleme specifice, deoarece in aceste cazuri ele functioneaza intr-un regim specific cu caracter puternic deformat datori-ta elementelor redresoare existente in sarcina transformatoarelor.

De asemenea, puterea aparenta a secundarului S₂=U₂I₂ difera in general (uneori chiar foarte mult) de puterea aparenta a primarului S₁=U₁I₁ si anume S₂>S₁ datorita componentei continue a curentului secundar, ale carei valori depind de schema de redresare utilizata. Din aceasta cauza transformatorul dintr-o instalatie de redresare nu este utilizat 100% spre deosebire de transformatoarele ce functio-neaza in regim armonic perfect sinusoidal.

In tabelul 2.5 se dau principalele scheme de transformatoare pentru redresare indicandu-se puterile lor primare S₁, secundare S₂ si puterea de calcul S (media puterilor S₁ si S₂) in functie de puterea de c.c. P_C=U_CI_C a redresorului,

unde:

U_C, I_C - valorile medii ale tensiunii si curentului redresat in sarcina;

U₁, I₁; U₂ I₂ - valorile efective ale tensiunilor si curentilor transformatorului.

Indiferent ca transformatorul este mono sau trifazic, el se alege la puterea de calcul S data in tabelul 2.5.

Tabelul 2.5

6. Transformatoare pentru modificarea numarului de faze

Schimbarea numarului de faze ale unui sistem de la trei la doua, sase sau douasprezece este necesara in multe aplicatii tehnice (redresoare, servomotoare bifazate, etc.) si se poate realiza economic cu ajutorul transformatoarelor electrice.

6.1. Schimbarea numarului de faze de la m=3 la m=2. Schema Scott

Obtinerea sistemului bifazat de tensiune se poate face utilizand doua trans-formatoare monofazate conectate ca in fig.2.61: unul notat cu T₁ are raportul de transformare w₁/w₂, iar celalalt T₂ are raportul de transformare w₁/w₂.

Transformatorul T₁ este alimentat cu o tensiune de linie de la doua faze ale retelei, in timp ce transformatorul T₂ se alimenteaza de la faza a treia a retelei de alimentare si de la o priza mediana a infasurarii primare a transformatorului T₁. In diagrama de fazori prezentata in fig.2.61 este indicat modul de transformare a unui sistem trifazat de tensiuni intr-unul bifazat, folosind schema Scott.

Fig.2.61 Transformator pentru modificarea numarului de faze de la 3 la 2 (schema Scott)
si diagrama fazoriala.

6.2. Schimbarea numarului de faze de la m=3 la m=6

Instalatiile de redresare hexafazate, utilizeaza transformatoare care pe langa transformarea tensiunii si curentului modifica si numarul fazelor de la trei la sase. In sensul schimbarii numarului de faze de la m₁=3 la m₂=6, transformatorul are se-cundarul compus din doua infasurari trifazate conectate in stea, iar tensiunile la bornele infasurarilor asezate pe aceeasi coloana sunt in opozitie de faza. In fig.2.62 se reprezinta schema de conexiuni a infasurarilor si diagramele de fazori ale ten-siunilor.

Fig.2.62 Transformatoare pentru schimbarea numarului de faze in

raportul m₁/m₂=3/6 si diagrama de fazori.

Pe partea trifazata se utilizeaza de obicei conexiunea in triunghi, atunci cand pe partea hexafazata sarcina este nesimetrica. Variatia in timp a tensiunilor secun-dare este reprezentata in fig.2.63 b prin curbele 1a, 2a.

La instalatiile redresoare, o astfel de schema de conexiuni permite functiona-rea a cate unei singure faze, functionare monoanodica, ce are ca urmare utilizarea partiala a puterii transformatorului.

a) b)

Fig.2.63 Sistem tri-hexafazat cu conexiunea stea in secundar:

schema stea cu reactor in secundar pentru functionare bianodica.

La un redresor hexafazat cu nul, fiecare faza functioneaza numai a sasea parte din perioada. Dublarea duratei de functionare a unei faze se realizeaza prin utilizerea schemei de conexiuni din fig.2.63 in care cele doua conexiuni secundare in stea trifazata au nulurile unite printr-un reactor R_e, nulul rezultant fiind format de punctul median al infasurarii reactorului. Aceasta este conexiunea dubla stea cu reactor.

Tensiunea de faza secundara consta din tensiunea transformatorului si cea a reactorului, iar tensiunile rezultante sunt reprezentate in fig.2.63 b de catre curbele 1c, 2c. Exista intervale de timp in care doua cate doua tensiuni de faza sunt egale pe un interval de , asigurand functionarea bianodica a redresorului.

De asemenea, schimbarea numarului de faze de la m₁=3 la m₁=6 se poate face si utilizand conexiunea furca (dublu zig-zag) in secundar indicata in fig.2.64.

In primarul transformatorului poate fi conexiunea stea sau triunghi, iar in secundar exista asa numita conexiune furca sau dublu zig-zag. In acest sens, fieca-re coloana are trei bobine secundare, dintre care una este bobina principala de baza iar celelalte doua auxiliare.

Bobinele principale se conecteaza in stea cu nulul scos. O faza se realizeaza conectand in serie o bobina de baza cu o bobina auxiliara parcursa in sens opus. O bobina de baza este utilizata la realizarea a doua faze secundare. Schema de cone-xiuni si diagrama tensiunilor sunt indicate in fig.2.64 a, b. Transformatoarele cu aceasta schema de conexiuni sunt utilizate in larga masura la instalatiile de redre-soare cu arc de vapori de mercur cu functionare monoanodica.

Fig.2.64. Sistem tri-hexafazat cu conexiunea furca in secundar:

a-schema de conexiune; b-diagrama tensiunilor.

6.3. Schimbarea numarului de faze de la m=3 la m=12

Transformatoarele care modifica numarul de faze de la 3 la 12 sunt utilizate in alimentarea instalatiilor de redresare. Aceasta transformare a numarului de faze se realizeaza cu ajutorul a doua transformatoare, dintre care unul are infasurarea primara conectata in stea, iar celalalt in triunghi. Infasurarile secundare ale celor doua transformatoare sunt conectate in dubla stea formand astfel un sistem dodeca-fazat (fig.2.65).

Fig.2.65 Transformatoare pentru schimbarea numarului de faze

in raportul m₁/m₂=3/12 si diagrama de fazori