TRANSFORMATOR SPAWALNICZY

2.1. OGÓLNA CHARAKTERYSTKA

Transformatorowe źródła zasilające łuk elektryczny służą do przemiany energii elektrycznej o parametrach sieciowych w energię elektryczną o parametrach pozwalających na długotrwały i stabilny przebieg procesu spawalniczego. Stabilność procesu spawania zależy od położenia względem siebie charakterystyk statycznych źródła energii - zasilacza oraz łuku spawalniczego – odbiornika. Jeśli przy określonych parametrach spawania pojawi się zakłócenie np. zmiana długości łuku w wyniku nierównomiernego topienia się otuliny elektrody, a po jego przeminięciu parametry wracają do zadanych wartości, to taki proces możemy nazwać stabilnym.

Zasilacz energii elektrycznej oraz łuk elektryczny stanowią swoisty system energetyczny, który w określonych warunkach może znajdować się w stanie równowagi energetycznej. Równowaga stanowi podstawę stabilności systemu.

Łuk spawalniczy jest stabilny, w momencie gdy zaburzenia związane z chwilowymi zmianami prądu spawania są tłumione w obwodzie spawalniczym.

Najprostsze zasilacze do spawania elektrodami otulonymi to transformatory spawalnicze o opadającej charakterystyce zewnętrznej. Ogólna zasada działania transformatora została przedstawiona na rys. 1. Transformator składa się z uzwojenia pierwotnego i wtórnego, umieszczonych na rdzeniu magnetycznym, zwanym magnetowodem. Opadające charakterystyki są otrzymywane po wprowadzeniu do obwodu spawania reaktancji o zmiennej wartości. Przeważnie jest to reaktancja rozproszenia.

Schemat zastępczy obwodu spawania jest pokazany na rys.2a. Schemat ten możemy uprościć ze względu na to, że prąd stanu jałowego podczas znamionowego obciążenia stanowi mniej niż 10% wartości prądu znamionowego. Pominięcie prądu stanu jałowego jest równoznaczne z pominięciem ‘‘gałęzi poprzecznej’’. Po pominięciu gałęzi poprzecznej

i zsumowaniu reaktancji i rezystancji powstaje uproszczony schemat który, przedstawia rys. 2b.

Rys. 1. Zasada działania transformatora: U1- napięcie po stronie pierwotnej, U2 – napięcie po stronie wtórnej, I1- prąd strony pierwotnej, I2- prąd strony wtórnej, ɸ- strumień magnetyczny w rdzeniu. Rys. 1. The principle working of transformer: U1- primary voltage, U2 – secondary voltage, I1- primary

current, I2- secondary current, ɸ- magnetic flux in core.

Możemy założyć, że rezystancja uzwojeń oraz impedancja obwodu zewnętrznego nie zmieniają się wówczas charakterystyki zewnętrzne transformatora zależą tylko od reaktancji rozproszenia Xr. W momencie gdy reaktancja rośnie prąd spawania maleje, jest to spowodowane wzrostem nachylenia charakterystyki rys. 3.

2.2. TRANSFORMATOR O ZMIENNEJ REAKTANCJI ROZPROSZENIA

Zmienność reaktancji rozproszenia można uzyskać poprzez specjalną konstrukcję transformatora. Na rys. 4 przedstawiono budowę transformatora z ruchomym bocznikiem magnetycznym.

Jest to przykład transformatora dwuokiennego z uzwojeniem pierwotnym i wtórnym umieszczonym na jednej kolumnie. Nastawienie wymaganej wartości prądu spawania odbywa się poprzez zmianę położenia bocznika względem nieruchomego rdzenia. Maksymalny prąd spawania występuje przy wysuniętym boczniku, a minimalny przy wsuniętym, gdyż strumień rozproszenia jest wówczas największy.

Reaktancja rozproszenia transformatora Xk jest sumą reaktancji rozproszenia pierwotnej Xσ1 oraz reaktancji rozproszenia wtórnej X’σ2 odniesionej do obwodu pierwotnego rys. 2a. (1) (pomijam reaktancje obwodu poza transformatorem i reaktancje łuku).

(1)

Rys. 2. Schemat zastępczy obwodu spawalniczego dla transformatora: a) pełny schemat zastępczy; b) uproszczony schemat zastępczy; Xr -reaktancja rozproszenia, R – rezystancja uzwojeń i obwodu, Zo -impedancja wypadkowa obwodu poza transformatorem, Zł – impedancja łuku spawalniczego, RFe –

rezystancja charakteryzująca straty w żelazie, Xµ - reaktancja obwodu magnesującego

Fig. 2. Substitute scheme of the welding circut for the transformer: a) full scheme; b) simplified scheme; Xr -leakage reactance, R – resistance of windings and curcuit, Zo- impedance outside of transformer Zł – impedance of electric arc, RFe – resistance charakteryzująca straty w żelazie, Xµ - reactance of magnetic

circuit

Rys. 3. Charakterystyka zewnętrzna (napięciowo-prądowa) transformatora spawalniczego dla różnych reaktancji rozproszenia (Xr1 > Xr2 > Xr3)

Fig. 3. Characteristic (voltage-current) of welding transformer, for diffrent leakage reactance (Xr1 > Xr2 > Xr3)

Rys. 4. Transformator o zmienionej konstrukcji z bocznikiem magnetycznym: 1- bocznik magnetyczny, ɸr – reaktancja rozproszenia

Fig. 4. Transformer with changed construciotn and with magnetic shunt: 1- magnetic shunt, ɸr – leakage reacatnce

Reaktancja rozproszenia jest proporcjonalna do indukcyjności rozproszenia Lσ oraz pulsacji ω wg zależności (2):

(2) Indukcyjność rozproszenia Lσ proporcjonalna do permeancjii (przewodności magnetycznej) Λσ na drodze strumienia rozproszenia oraz kwadratu liczby zwojów z (z=const.)

(3) Permeancja rozproszenia zależy od przenikalności magnetycznej μ oraz przekroju poprzecznego obwodu magnetycznego A, i jego długości l wg zależności (4):

(4) Względna przenikalność magnetyczna powietrza wynosi μpowietrza =1 . W momencie przesuwania bocznika względem nieruchomego rdzenia permeancja rozproszenia zmienia się ponieważ przenikalność materiału z jakiego wykonany jest bocznik (najczęściej blacha transformatorowa) jest większa od przenikalności powietrza μbocznika >> μpowietrza .

Podstawiając wartości (4) kolejno do równań (3) później (2) można wytłumaczyć dlaczego przesuwanie bocznika powoduje zmianę reaktancji rozproszenia.

Osłabienie strumienia głównego co za tym idzie siły elektromotorycznej wyindukowanej w uzwojeniu wtórnym transformatora jest spowodowane zmianą reluktancji Rm (oporu magnetycznego) obwodu rozproszenia, która jest odwrotnością permeancjii (5).

(5) Gdy permeancja rośnie to opór magnetyczny maleje, wówczas liniom strumienia głównego łatwiej przenikać przez bocznik (stąd jego nazwa), wzmacniając tym samym strumień rozproszenia kosztem strumienia głównego.

2.3. MODEL LABORATORYJNY

Model takiego transformatora został umieszony w laboratorium Maszyn Elektrycznych w Katedrze Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej. Na rys. 5, 6, 7 zostały przedstawione zdjęcia modelu.

Jest to wyłączony z eksploatacji transformator spawalniczy firmy HARDER, odpowiednio przystosowany do potrzeb laboratoryjnych. Został w nim wymieniony przewód zasilający, oraz przewody robocze z uchwytem elektrodowym oraz zaczepem tzw. masą. Ponadto w obudowie wycięto otwory (okna) i wstawiono przeźroczystą płytkę z pleksi, by pokazać ruch bocznika względem nieruchomego rdzenia. Spawarka posiada również wentylator z tyłu obudowy, zasilany napięciem przemiennym o wartości 24 V, zaciski tego wentylatora zostały wyprowadzone na czoło obudowy. Na rys. 6 widać tabliczkę znamionową. Informacje z niej zostały przedstawione tabeli 1.

Tabela 1. Tabliczka znamionowa Table 1. Nameplate

Nazwa urządzenia Spawarka transformatorowa

Firma HARDER Model SE 150/1 (MBX-100B2) Częstotliwość f [Hz] 50 Napięcie zasilające U1 [V] 230 Napięcie w stanie jałowym U0 [V] 48 Średnica elektrod φ [mm] 1,6 2 2,5 Prąd spawania I2

[A]

Rys. 5. Transformator spawalniczy firmy HARDER umieszczony w KMNiPE Politechniki Wrocławskiej Fig. 5. Welding transformer created by HARDER, placed in Cathedral of Electrical Machines. Drives and

Measurements

Rys. 6. Tabliczka znamionowa transformatora spawalniczego firmy HARDER Fig. 6. Nameplate of welding transformer created by HARDER