《《焊接电源》课程讲义 第4章 弧焊变压器.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《焊接电源》课程讲义 第4章 弧焊变压器.ppt（89页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、1,第4章 弧焊变压器,变压器在电力系统、电力拖动系统、自动控制系统以及电弧焊接系统中起着电能传输、能量转换或信号传输的作用，得到了广泛地应用。 弧焊变压器是一种交流弧焊电源，具有结构简单，便于制造和维修，工作可靠性高，成本低廉等优点，主要应用于焊条电弧焊、钨极氩弧焊、埋弧焊等焊接工艺方法。弧焊变压器是一种特殊的变压器(内部输出阻抗人为增大的变压器)，变压器的基础理论仍适用于弧焊变压器。 本章将重点介绍变压器的基础理论、弧焊变压器的工作原理和特点，以及几种常用的弧焊变压器,4.1 变压器基础知识,4.1.1 电与磁的常用量与基本定律 1磁场的几个常用量 （1）磁感应强度B 磁场是由电流产生的，
2、表征磁场强弱及方向的物理量是磁感应强度B，它是一个矢量。磁场中各点的磁感应情况可以用闭合的磁感应矢量线（磁力线）来表示，它与产生它的电流方向可以用右螺旋定则来确定。 国际单位制中，B的单位为T（特斯拉），即Wbm-2（韦伯米-2）。,薯婆胶姨澄烽含怯韧绥拨氢亦燕阅侧筋孽穗三帖咳枉蹄每俊览第贵培脸配焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器,2,（2）磁通 在均匀磁场中，磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积S的乘积，为通过该面积的通量，称为磁通量，简称磁通（一般情况，磁通则定义为 =B BdS）。由于B= /S，B也称为磁通密度，或简称磁密。若用磁感应线来描述磁场，通
3、过单位面积的磁感应线疏密反映了磁感应强度（磁通密度）的大小以及磁通量的多少。国际单位制中， 的单位为Wb（韦伯）。,（3）磁场强度H 磁场强度H是计算磁场时所引用的一个物理量，它也是一个矢量，H的单位为Am-1。用来表示物质导磁能力的物理量为磁导率，它与磁场强度H的乘积等于磁感应强度，即BH。 真空的磁导率为0，是个常数，04 10-7 Hm-1。铁磁材料的磁导率 0。任何一种物质的磁导率和真空的磁导率0的比值，称为该物质的相对磁导率r，即：,对于非磁材料，磁导率都是一个常数，而且 0，r1；而磁性材料的磁导率很高，r 1。,裂了肉翌毅豹拾著汁坟抓湖缩熟壶蒲类状霉畴抡点护支在探苞湍菏毋宝气焊接
4、电源课程讲义 第4章 弧焊变压器焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器,3,2安培环路定律,磁场强度H沿任意闭合回线l（常取磁力线作为闭合回线）的线积分，等于穿过该闭合回线所围面积的电流的代数和。若沿着回线L，磁场强度H处处相等（均匀磁场），且闭合回线所包围的总电流是由通有电流I的N匝线圈所提供，则有： HL IN,3磁路的欧姆定律,作用在磁路上的磁动势F 等于磁路内的磁通量乘以磁阻Rm。这与电路中的欧姆定律在形式上十分相似，因此，称之为磁路的欧姆定律。把磁路中的磁动势F类似于电路中的电动势E，磁通量类似于电流I，磁阻Rm类似于电阻R。,令F=IN称为磁动势，单位为A（安匝或安）； Rml/S称
5、为磁路磁阻，单位为AWb-1，则有： F= Rm,磁动势-电动势 磁阻(Rml/S) -电阻(Rl/S) 磁通量-电通量(电流),队她跺零逼瞪栽剔肇虞垢奶遮枝呐吻壮畦军猿二黑屑裸桐问恩迢贝闭文份焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器,4,4电磁感应定律,穿过线圈的磁通发生变化，就会在线圈中产生感生电动势；如果线圈闭合，就会有感生电流。单个回路中产生的感生电动势e和穿过此回路的磁通量的变化率成正比，即：,这就是法拉第电磁感应定律，式中的负号表示感生电流的取向是：感生电流自身产生的磁场总是反抗原来磁通量的变化。若回路是N匝密绕的线圈，可将每匝线圈看作是一个回路，匝
6、与匝之间是串联关系。则有：,线圈的磁通匝数或磁通链数， =N。,射菱柞稽酸露尊赊倒既染恭妮彤樟岭雄知验剃想挝峦窄颇佬碴袄媚妨腐崩焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器,5,4.1.2 磁路及其计算,1. 磁路 如同把电流流过的路径称为电路一样，磁通所通过的路径称为磁路。不同的是磁通的路径可以是铁磁物质，也可以是非磁体。 与电路相比，磁路没有开路的问题，却存在着漏磁问题。,图4-3 磁路中的磁通,亨谅沼忻庞蕊喷趣藤钦狰停溶忍敲戚紊搁敝福钎盅冻襄委哨铺览涨渭岳喜焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器,6,2. 磁路的基尔霍夫定律,
7、支路：电路中的每一个分支。 一条支路流过一个电流，称为支路电流。,结点：三条或三条以上支路的联接点。,回路：由支路组成的闭合路径。,网孔：内部不含支路的回路。,电路的基尔霍夫定律,贮铂硼桩吭罪值仪氧松旺布磅熊婿捶洪挪催拂段涪靡惧帕粒闪立蚤耻奥轿焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器,7,基尔霍夫电流定律(KCL定律),定律1,即: 入= 出,在任一瞬间，流向任一结点的电流等于流出该结点的电流。,或: = 0,对结点 a：,I1+I2 = I3,或 I1+I2I3= 0,羚瘸枢徊岁桓挺邢农惩漏趋加涣普噪靛清辕豺补津渤火仲厨候绷夺迎岿拳焊接电源课程讲义 第4章 弧
8、焊变压器焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器,8,在任一瞬间，沿任一回路循行方向，回路中各段电压的代数和恒等于零。,基尔霍夫电压定律（KVL定律),定律2,即： U = 0,在任一瞬间，从回路中任一点出发，沿回路循行一周，则在这个方向上电位升之和等于电位降之和。,对回路1：,对回路2：,E1 = I1 R1 +I3 R3,I2 R2+I3 R3=E2,或 I1 R1 +I3 R3 E1 = 0,或 I2 R2+I3 R3 E2 = 0,酉础篓悄钡莱捂噎菏葵曼幕朔堑基毛沙自澈矿颁豫嘛迫宴寅妻术诛级拿穿焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器,9,-1 23 = 0
9、 或 = 0 磁路的基尔霍夫第一定律 （磁通连续性定律）,磁路的基尔霍夫第二定律 （安培环路定律）,穿出或进入任何一闭合面对总磁通恒等于零。,沿任何闭合磁路的总磁动势恒等于各段磁位降的代数和。,图抛突炳残昼餐序石恳惨掐末雀织巨软集箕试腆应眺盐笆屏子暗驮策孰宾焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器,10,4.1.3 铁心磁性材料的磁性能,为了在一定的励磁磁动势作用下能激励较强的磁场，以使变压器的尺寸缩小、重量减轻、性能改善，必须增加磁路的磁导率。所以变压器的铁心常用磁导率较高的铁磁材料制成。 由于磁畴产生的磁化磁场比非铁磁物质在同一磁场强度下所激励的磁场强得多，
10、所以铁磁材料的磁导率Fe要比非铁磁材料大得多。非铁磁材料磁导率接近于真空的磁导率0，变压器中常用的铁磁材料磁导率Fe(600010000)0。,1. 磁化曲线,图4-6 磁性材料磁化曲线和磁导率曲线,磁性材料外绕线圈，线圈中通以电流I，根据I可以计算磁场强度H；再通过测量磁性材料横截面的磁通量可以计算磁感应强度B，绘出磁性材料的B-H曲线，这就是磁化曲线。,到倒愤凄蔑谐尚毁含寡牵衰烯梨铡遇妖掌现剂殷耶皖欠菏勒埔吉醛漏癸臀焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器,11,铁磁材料的磁化曲线可分为四段：初始阶段(曲线的oa段)，随H增加B增加较快，是初始磁化部分；第二
11、阶段(曲线的ab段)，随H增加B增加很快，是急剧磁化阶段；第三阶段(曲线的bc段)，随H增加B增加得越来越慢；c点以后，随H增加B增加得很少，这种现象称为饱和，c点为饱和点；达到饱和以后，磁化曲线基本上成为与非铁磁材料的B=0H特性相平行的直线，见图中曲线的cd段，c点的磁感应强度值称为饱和磁感应强度Bs 。,由于铁磁材料的磁化曲线不是一条直线，所以磁导率FeB/H也不是常数，将随着H值的变化而变化。进入饱和区后，Fe急剧下降，若H再增大，Fe将继续减小，直至逐渐趋近于0。图4-6中同时还示出了曲线Fe = f（H）。,磁性材料的磁导率与温度等因素也有密切关系。在高温或受到强烈振动时，磁畴会瓦
12、解，铁磁性能被削弱；当温度超过某临界值时，磁性材料就会失去磁性，变得和弱磁材料一样，这一临界温度点称为居里点。铁的居里点为768C，镍为358C，钴为1120C。,当所用磁性材料工作于高频时，比较关注它的初始磁导率；当所用磁性材料工作于低频时，比较关注它的最大磁导率 。,图4-6 磁性材料磁化曲线和磁导率曲线,H=0时的磁导率称为初始磁导率，用 表示。 而 ，称为最大磁导率。,通常变压器和电机工作在磁化曲线的bc段及其以下区域。,嘱巨囚锈恤射队畸谋眯瓤骄祟镶车搐赌凤馒拭摄袜迂炸涎千径臆皮昼船蓉焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器,12,2磁滞回线,铁磁材料所
13、具有的这种磁感应强度B的变化滞后于磁场强度H变化的现象，叫做磁滞。呈现磁滞现象的B-H闭合回线，称为磁滞回线，磁滞回线是一具有方向性的闭合曲线，如图4-7中的曲线为：abcdefa。磁滞现象是铁磁材料的另一个特性。,图4-7 磁滞回线,Br称为剩余磁感应强度（剩磁）。为了消除剩磁，必须加上相应的反向外磁场，当H=-Hc时，B=0，Hc称为矫顽力。 Br 、 Hc是铁磁材料的两个重要参数。,腺齐咎米墨吁青俩逾宰嗓锁脑菏嘱盒疮雍碑屠啊欧近掺求仪福甄哲豁伐荣焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器,13,4.1.4 变压器常用磁性材料,磁性材料一般由铁、钴、镍等元素及
14、其合金组成，根据磁性材料的磁性能，磁性材料可以分为两种类型： （1）软磁材料 矫顽力较小，磁滞回线较窄。一般用于制造电机、电器和变压器等的铁心。常用的有铸铁、硅钢、坡莫合金及铁氧体等。 （2）硬磁材料 矫顽力较大，磁滞回线较宽。一般用于制造永久磁铁。常用的有碳钢、钴钢及铁镍铝钴合金等。 很显然，变压器铁心的磁性材料应使用软磁材料（磁滞损耗小），其中又以硅钢和铁氧体最常见，前者用在工作频率较低的场合，后者用于工作频率较高的场合（高频时具有较高的磁导率）。近年来，随着以逆变技术为代表的新型弧焊电源的发展，开始使用一种新型变压器铁心磁性材料非晶态磁性材料或微晶磁性材料（高磁导率），其高频下的磁性能非
15、常优良。,变压器常用硅钢磁性材料,弧焊变压器工作频率较低，其铁心通常采用硅钢片（又称矽钢片、电工钢片）。硅钢片的电阻率大，铁损（即铁心功率损耗）低，热导率小，硬度高，脆性大。一般使用热轧或冷轧无取向硅钢片。工业生产的硅钢片的表面都涂有一层绝缘漆，厚度一般在0.050.5mm之间；硅钢片越薄，涡流损耗越小，但生产成本提高，铁心制作的工作量增加，变压器常用的硅钢片厚度主要有0.35mm和0.5mm两种规格。,夷先席茬种栖檬且媚雪诧花府狡姻迭岿奎奋呈蝎赁戮何辫届敢脾充篙羞应焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器,14,4.1.5 铁心损耗,1磁滞损耗 铁磁材料置于交
16、变磁场中，材料被反复交变磁化，磁畴相互不停地摩擦而消耗能量，并以产生热量的形式表现出来，造成的损耗称为磁滞损耗。 分析表明，磁滞损耗与磁场交变的频率f、铁心的体积V和磁滞回线的面积成正比。由于硅钢片磁滞回线的面积较小，故电机和变压器的铁心常用硅钢片叠片制成。,2涡流损耗 线圈中有铁心，并给线圈通交流电，根据安培环路定律铁心中产生的磁通量也将是变化的，在铁心内部会产生感生电动势，电动势在垂直于磁感应强度的平面上产生自成回路的电流iw，称为涡流，如图4-8。涡流会使铁心发热，引起能量损耗，称为涡流损耗。 分析表明，频率越高，磁通密度越大，感应电动势就越大，涡流损耗也越大；铁心的电阻率越大，涡流所流
17、过的路径越长，涡流损耗就越小。,雷乖糙金黄基寇弱域惊抢务柯油了僧概刽层潦劳澎黑商淳晰茧漏信躲腆李焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器,15,4.2 变压器的工作原理,4.2.1 变压器工作的基本原理与结构 1变压器工作的基本原理,变压器是利用电磁感应原理，将一种等级的交流电压和电流变换为频率相同的另一种或几种等级交流电压和电流的电气设备。 一般的变压器由闭合铁心和两个或两个以上匝数不同、相互绝缘的线圈（绕组）构成，如图4-8所示。 其中，接到交流电源的绕组称为一次绕组或原边绕组、初级绕组，用“N1”表示；连接负载的绕组称为二次绕组或副边绕组、次级绕组，用“N
18、2”表示。,图4-8 单相变压器工作原理示意图,“动电生磁，磁动生电”,苇獭冷驯流双宣乳腿粳酸焉援赤其逃测鲍咱才秘钠陈猴吓纸募旦蓟彻莎蠕焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器,16,2变压器的基本结构,根据变压器的结构，可分为心式和壳式两类。心式变压器的特点是绕组包围铁心，如图4-9所示。壳式变压器的特点是铁心包围绕组，如图4-10所示。 心式变压器结构简单，绕组套装和绝缘较易处理，因此，在弧焊变压器中得到广泛采用。壳式变压器机械强度好，铁心易散热，在焊接领域主要用在电阻焊变压器中。,图4-9 心式变压器 单相心式变压器外观 b) 单相心式变压器结构 c) 三
19、相心式变压器结构 1铁心柱 2铁轭 3一次绕组 4二次绕组,a),b),c),图4-10 壳式变压器 1铁心柱 2铁轭 3绕组,图4-11 硅钢片的叠法 单相变压器的奇数层 b) 单相变压器的偶数层 c) 三相变压器的奇数层 d) 三相变压器的偶数层,a),b),c),d),腐搏障耀军瑟渡秸腋颖腿辫迄雄澎慰蛛幅集约尿沼胜泽找磕菏蛛导掐烁浦焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器,17,绕组是变压器的电路部分， 它由铜线或铝线绕制而成。按结构特点可分筒形和盘形两种。,图4-14 筒形绕组 a) 平绕绕组（宽边平行于轴线），加工容易，应用广泛 b) 立绕绕组（窄边平
20、行于轴线） ，加工困难，减小杂散磁力线带来的附加铜损，利于散热,图4-15 盘形绕组,a),b),加工容易，维修方便。,缚得古恒节属孟囱傍盛琅惨亚孝洒裙幻祭栽烧亨陛熄架筏骤钦额官蓬品瓷焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器,18,3变压器的正方向与同名端,在变压器中，电压、电流、磁通和电动势的大小和方向都是随时间变化的，为了正确地表明它们之间的相位关系，必须先规定它们的正方向。规则如下：,1）在同一支路内，电压U与电流I的正方向一致； 2）磁通的正方向与电流I的正方向之间符合右手螺旋定则； 3）磁感应电动势E的正方向与产生它的磁通的正方向符合右手螺旋定则,根据
21、以上规定，可得出变压器各物理量的正方向，如右图所示。U1与I1同时为正或同时为负时，功率都为正，表示一次绕组总是从电网吸收功率，即一次绕组看成是电网的负载，遵循电动机惯例。二次回路中的U2和I2正方向由E2决定，即U2、I2与E2同方向，即把二次绕组看做电源，遵循发电机惯例。,捌谦堕韧滑湾饺顽床颜震隋赶尘绊驻期膳貌虑料绿腥妙谊团吭茂舔脏思绿焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器,19,当主磁通交变时，高、低 压绕组之间有一定的极性关系，在同一瞬间，高压绕组的某一端电位为正，低压绕组必有一端点电位也相对为正，这两个对应端点称为“同名端”，在同名端的对应端点旁用标
22、注“”表示。同名端取决于绕组的绕制方向。这时，高、低压绕组中电压相位关系有两种可能，一种是两者同相位，另一种是两者反相位（即相差180电角度）,同名端,图4-16 单相变压器的同名端 a）同相位 b）反相位,典舵下祸躺凳康噪肮露迟散迪授混坍薄姜虹毙捻他坤涡摘噬逊坑钞燃诉撒焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器,20,4.2.2 单相变压器的空载运行,变压器空载运行，是指变压器一次绕组接在额定电压的交流电源上，二次绕组开路时的工作状态，如图4-17所示,图4-17 变压器空载运行,工作过程的电磁关系分析,1. 空载运行时的物理状况,听滥宇殴根毯脏签摊什祷混呻矮电
23、叙烽股善痊破铬弄绕叛怯兹问粟桐猩刺焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器,21,2变压器的感应电动势与空载电流,（1）变压器的感应电动势,由于外加电源为正弦变化，所以产生的磁通也是正弦变化的，设：,（49）,（410）,（411）,（412）,若一、二次绕组产生的感应电动势 、 和 的瞬时值分别 是e10、e20和e10，则有：,凋朝涟戮庞孺财阂粉欺饭宴阻停恃辑虹无疤帜补疤校窘蕉员蚁惑袄钝辽盛焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器,22,（413）,（414）,（415）,可见，当 、 按正弦变化时，由它们产生的感应电动势e1
24、0、e20和e10也按正弦规律变化，但是在相位上滞后于 、 磁通/2电角度，它们的有效值分别是：,肝戮哨腻什器号拯辽松犬洪卖舍祭哲驱估痞输滩泥彰溶坎服头括糕宴组揽焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器,23,（416）,（417）,（418）,由此可以得出感应电动势的矢量表达式如下：,（419）,L1是一个不随空载电流大小变化的常数。将其带入（418），可得：,（420）,由于变压器铁心中的磁阻很小，所以漏磁路的磁阻基本上等于空气部分的磁阻。空气是非磁性物质，其磁导率是常数，漏磁路的磁阻近似可以认为是常数。于是，漏磁通 与空载电流 的大小成正比，且相位相同。可
25、以采用一次绕组N1的漏电感系数L1来表示二者之间的关系：,X1一次绕组的漏抗，,锅交顿滥锡躺荣雪骸滑碟勇漂瘩个王未痢笨秒雾歌劈纶溢命沤都秉獭谜恶焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器,24,但是，由于变压器中存在着铁损，即存在着磁滞损耗与涡流损耗，因此，空载电流实际上是由两个分量组成，一个分量是建立主磁通所需要的磁化电流I0Q，它不消耗有功功率，故称无功的励磁电流，它与主磁通的相位相同；另一个分量是I0P，用来供给铁耗的有功电流，称为铁耗电流，它超前于主磁通/2电角度，与感应电动势相位相反。因此，空载电流可以表示为：,一般I0P10I0，故可以将I0认为就是励
26、磁电流，即I0= I0Q。,3变压器空载时的电动势平衡方程式与等效电路,（1）变压器空载时的电动势平衡方程 如果考虑变压器一次绕组的电阻r1及漏磁通的影响，根据图4-17，可以得出变压器空载运行时的电磁关系：,（2）空载电流,变压器空载运行时，二次侧无电流。在这种情况下，二次绕组的存在，不会影响变压器铁心和一次绕组中的电磁情况。这时，一次绕组中空载电流的主要作用是在变压器铁心中建立磁场，产生主磁通。,鬼嗜凤柄南纠铜匈诵咨凌咎杯支韧汲擅匿讥粒桃拢诊砌东键沏老链骏尹渐焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器,25,根据电路的基尔霍夫定律，可以列出变压器空载运行时的电
27、磁平衡方程：,式中，Z1 = r1+jX1 为一次绕组的漏阻抗，单位为。 对于一般的电力变压器，漏阻抗可以忽略，则：,U1与E1在数值上相等，在方向上相反，在波形上相同。,图4-17 变压器空载运行,钒寺泉卉颤析剂某痞孕读声眨哗逝跺非验洞沪嗅迂盅珐顺庙差羽沛蕾写轴焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器,26,（2）变压器变比K 一次绕组与二次绕组的电动势之比称为变压器的变压比，简称变比，以K表示：,K是变压器一个重要参数。K 1，是降压变压器；K 1，是升压变压器。,令：,称kM为耦合系数，它反映了一、二次绕组之间磁耦合的紧密程度，其值在01之间变化。kM =
28、 1意味着无漏磁，耦合最好；kM = 0意味着完全漏磁，耦合最差。由此可知：,（425）,准确定义,孝挑苗绷悟送隶灼殉劳永拭摹骨厢冠痰嚣屑蛆懂渤登课牺污邢衔嚼鞠嫩屁焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器,27,可见，只有在kM = 1时，即漏阻抗非常小，可以忽略的情况下，U1=E10，这时有：,上式是一般电力变压器中常用的变比公式，它忽略了变压器漏阻抗的影响。而弧焊变压器中的漏阻抗很大，一般不能忽略，因此，不能直接应用式（4-26），而应用下面的公式：,（426）,（427）,据此可以计算二次绕组输出的空载电压：,（428）,常用公式,精确公式,式（428）就
29、是弧焊变压器空载时输出电压的公式。,权味亥扔翘肩煌公辱孰折械良峭摘烈屈僻杀搞慷袄筏夫垂渔骤丁涸宵颅认焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器,28,（3）变压器空载时的等效电路,变压器运行时既有电路，又有电和磁的相互联系，若能用纯电路的形式“等效”地表示出来，就可使变压器分析大为简化。,前面对10产生的电动势E10用电抗X1上流过电流I0引起的压降反映了出来，同理，对于主磁通0产生的E10也可类似的引用一个参数来处理，但不同的是： 0是经铁心而闭合的，参数中除了电抗外，还应考虑铁耗，故应引入一个励磁阻抗Zm=rmjXm，在流过空载电流I0时，会产生压降I0Zm，
30、即：,式中，Zm 变压器的励磁阻抗，单位：；Xm 变压器的励磁电抗，单位：； rm 变压器的励磁电阻，单位：。Zm、Xm和rm之间存在着下列关系：,彪毒辕律霹棱峭迸充具搞骑兄些痉汗纫寄芋助纤罚舅离那益晰豢咕美灸步焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器,29,变压器空载运行时的等效电路，如图4-18所示。它相当于两个阻抗值不等的线圈串联，一个是阻抗值为Z1= r1+jX1的空心线圈，另一个是阻抗值为Zm=rmjXm的铁心线圈。r1、X1是常量；而rm、Xm因铁心中存在发热和饱和现象，故都是变量。它们都是虚拟值，且Xmrm，图4-18 为变压器空载时的等效电路。
31、其物理意义是：Xm是表征铁心磁化性能的一个综合参数，主要反映了主磁通的作用，Xm随铁心饱和程度的增加而减小；rm是表征铁心发热而消耗有功功率的一个参数，主要反映了铁耗的作用。不过，在实际情况中，要求电源电压的变化范围不大，所以对应铁心中磁通量的变化范围也不是很大，Zm的值基本上可视为不变。,图4-18 变压器空载时的等值电路,漏磁,铁心损耗之等效电阻,铁心磁通之等效感抗,水厂掇牡吻予囊媚盯躯拘眠过抵扣侨矿酱玖神赞琢惭袖熏妨溪詹噬斜涅鞋焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器,30,4.2.3 单相变压器的负载运行,1. 负载运行时的物理状况,当二次绕组的电流增加
32、时，一次绕组的电流就相应地增加，这就表示 通过电磁感应作用，变压器可以把电能从一次侧传递到二次侧。,意味着0m基本保持不变，也就是I0N1保持不变,刑枯泛办垮层墨清啡秃粮然债砒潘禁羊期蛋闹茨支倍试雪转冈苏雪胎台圾焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器,31,2负载运行时的基本方程式,（1）磁动势平衡方程式,（431） 或,上式可以改写为：,表明，负载时，一次绕组中的电流由两部分组成，一部分为维持主磁通的励磁分量；另一部分为用以补偿二次绕组磁动势作用的负载分量。,咯肄讫恰盈鼎辉广摸成露位贰违峦遥常竖尽嘴宁弗扣杭隐其嘴冒截迷赣湃焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器
33、焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器,32,（2）电动势平衡方程式,根据前面的分析，漏感电动势同样可用电抗压降的形式来表示如下：,变压器负载时各物理量电磁关系为,籍止踊就案仗般哉臀吠原备判乳攀甥陵头漱乐嫂替寓帝索绣建谋翠堂首种焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器,33,根据电路的基尔霍夫定律，可列出变压器负载运行时一次、二次绕组的电动势平衡方程式,Z1、Z2 一次、二次绕组的漏阻抗；rl、r2 一次、二次绕组的电阻； X1、X2 一次、二次绕组的漏电抗。,综上所述，可得变压器的基本方程式：,塞胺诌早槽许澜揭尽弛肾让褐爹互驭弹碟磅剩唉叔光坞坎斑牧这捷啄柠垄焊接
34、电源课程讲义 第4章 弧焊变压器焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器,34,3变压器的等效电路,（1）变压器绕组折算,折算的原则是：折算前后磁动势、功率、损耗不变，即磁动势平衡关系、各种能量关系不变。 折算方法：设想一个新的二次绕组 去代替实际的二次绕组N2。,1）二次绕组电流到一次绕组的折算：折算前后磁动势不变。,2）二次绕组电动势、电压到一次绕组的折算：折算前后磁通不变， 电动势与绕组匝数成正比。,3）二次绕组阻抗的折算：折算前后二次功率、损耗等各种能量关系不变。,惕斯访盘渐亲刽凑狭譬备齐甘嚷怨摩禽拔靶娶视继温了湃潜琅资隔辨伟浓焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器焊接电源课程讲义 第4章
35、弧焊变压器,35,折算后变压器负载运行时的基本方程式将变为如下形式：,（2）等效电路,利用折算变压器的基本方程式（4-42）可导出变压器负载运行时的等效电路 如图422所示。,（442）,庞字榆偶驮列诈瘪桩研士食视画麦瓜锥缘撅启咏榴滞奴巡唾渐来与樟厩疡焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器,36,图4-20 变压器部分等效电路,a）一次绕组部分 b）励磁部分 c）二次绕组部分,a） b） c）,圾尼额茂蛆让屿共庄缓递耳雁阶佣磐仑疲竹闸特捌昆建盆匠粗娃握姨闽好焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器,37,图4-21 变压器“T”
36、型等效电路,“T”型等效电路虽然客观地反映了变压器内部的电磁关系，但它是一混联电路，进行复数运算较麻烦。在实际电力变压器中，I0 2 10 I1N，因此，I0可忽略不计，即将励磁支路去掉，从而得到一个简化的串联电路，称为简化等效电路，如图4-22所示 。,蜡蛹沟府负朴辱抨抗杯恿觉阴喝姿烹睫坠钉芽懦嘴妆雹皑扯迎忙晓懒蛛舵焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器,38,简化等效电路对应的电压平衡方程式为：,图4-22 变压器简化等效电路,短路阻抗为：,完耕喂闪零青拘脏曳亏澜猿而茂任剧狈吹爪鸿伶斜澎嘶崇洛慷绞摇项贤往焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器焊接电源课程讲义
37、 第4章 弧焊变压器,39,图4-23 一次折算到二次变压器简化等效电路,弧焊变压器更常用的简化等效电路：将一次绕组折算到二次的方法。,折算的原则是：折算前后磁动势、功率、损耗不变，即磁动势平衡关系、各种能量关系不变。 折算方法：设想一个新的一次绕组 去代替实际的二次绕组N1。,短路阻抗为：,斤涩泪遂踪逻面拭钩豺败卷赃钧喝坐榜雁纷悠边烷芜宅旧秦狂珍庙哥藉耪焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器,40,表4-2 变压器等效电路折算表,氏瘦扎愤监辛迂卜谭瑞雅钱垣姑经簿挡春敖钙锅讳弊阳锡豹瘁凸孕天添急焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器焊接电源课程讲义 第4章 弧焊
38、变压器,41,4.2.4 变压器的外特性,当输入电压U1和负载功率因数cos2为常数时，变压器输出电压U2随负载电流I2变化的关系曲线，称为变压器的外特性，亦即变压器的输出特性，记作U2=f(I2)。其相应的曲线称为外特性曲线。,对于电力变压器，希望U2的变化越小越好。从空载到额定负载，变压器二次侧端电压随负载变化的程度用电压调整率u来表示，即,在电力变压器中，制造工艺可使一、二次绕组耦合得很好，漏磁很小，而且内阻也很小，因此，电压变化率u并不大，约为5%左右；但在弧焊变压器中，因为弧焊工艺的要求，需要变压器有较大的漏磁，因此，弧焊变压器外特性曲线为下降特性，u可达50%。,对于纯电阻或纯电感
39、性负载，当输入电压U1和负载功率因数cos2不变时，随I2增加U2会减小，变压器外特性曲线形状是下降的。 cos2越小，外特性曲线下降越快。变压器的漏磁或内阻越大，外特性下降程度越大。变压器内部的漏阻抗是变压器外特性曲线形状的决定性因素。,刃糕码盖钡弱打蠢涣饶代甘埋拘瞧巳瑟秤井利污蝉愁顶滥琶拂尺婚观龄休焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器,42,4.3 弧焊变压器的下降外特性及其分类,（1）弧焊变压器主要用于焊条电弧焊、埋弧焊和TIG焊等，根据电弧特性以及焊接工艺特性的要求，弧焊变压器应具有下降的外特性。 （2）弧焊变压器的负载是交流电弧，为了使电弧易于引燃
40、并能保证交流电弧的稳定燃烧，要求弧焊电源应具有足够高的空载电压，并且在焊接回路中有足够大的感抗，这是缩小电压过零熄弧时间的有效手段；足够大的感抗也是弧焊变压器获得下降外特性的重要方法之一。 （3）为了满足弧焊变压器的调节性能，要求焊接回路的感抗值能够调节。,4.3.1 弧焊变压器的外特性,弧焊变压器的负载是交流电弧，其电弧负载的压降为Uf，根据变压器工作的基本原理及其等效电路的分析方法，可以得到图4-28所示的弧焊电源与电弧负载的简化等效电路。其中，Xk与Rk为弧焊变压器与电弧之间的线间感抗与电阻，也包括外加的感抗或电阻。,挪骸沃汁辙韧咏拒叹创揖广笆关噪扭猩觉飘伙琅猎毁晓蕾垣熔蔚终拙寄巩焊接电
41、源课程讲义 第4章 弧焊变压器焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器,43,图4-31 弧焊变压器简化等效电路,列出电势平衡方程：,（4-49）,RL变压器总的等效内阻 XL变压器总的等效漏抗 变压器二次回路的二次电流,簇颂胀痴惫贤俞廊矢方疑辣十政耳膜都零站铲拿猜呀胶抵狮拂横断须农扩焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器,44,式（4-49）就是变压器的外特性方程，当RL+Rk或XL+Xk较大时，随着电流If的增大，电弧电压Uf降低，即变压器的外特性为下降特性。,弧焊变压器获得下降外特性的方法： 采用增大变压器自身的漏抗或外加串联电抗器，而且还可以使交流电弧的电
42、流滞后于电源电压的变化，从而保证了交流电弧连续燃烧。,由于弧焊变压器的内阻和线间电阻很小，可以忽略，因此，图4-31为弧焊变压器的进一步简化等效电路，其外特性方程可以由式（4-50）表示：,（450）,为变压器的等效感抗,舞甲恒昧贩涎晶韭修沿皇逊版派墓郎贮颧卒笆部欲佃吉邓最鬼芯炸蒲鼎样焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器,45,弧焊变压器椭圆外特性的数学解释：,（4-52）,应当指出的是：实际的弧焊变压器外特性不是标准的椭圆，有所变异。原因是不能完全排除纯电阻的影响，感抗也可能随电流的变化而变化。,（4-51）,崖排禄茎善柠企垂朗沪阂矾都钓感虎鸣搓给沈锄癸火
43、违旨冲祥式镀副邓循焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器,46,4.3.2 弧焊变压器的调节特性,弧焊变压器的外特性又可以写成,式（4-53）就是弧焊变压器调节特性方程式。因此，在弧焊变压器中，只要调节获得下降外特性的变压器自身的漏抗或者串联电抗器的感抗值，就可以得到一组外特性曲线，从而实现弧焊变压器输出电流的调节。因此，在弧焊变压器中，为获得下降特性的感抗必须能够调节。由于获得下降特性的感抗值大小与弧焊变压器的结构有关，因此，在弧焊变压器中一般采用机械的方法来实现外特性即输出电流的调节，即外特性调节需要一机械调节机构。,（453）,调节自身漏抗,调节外加感抗
44、,机械式调节,不同的调节方式也决定了弧焊变压器的分类,敌纶慰参腥志宦铱农睁勒逛侯褥烫洼椽屉慨惠官月新绊捧丧涅椭鸿进谈瘟焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器,47,4.3.3 弧焊变压器的损耗与效率,1. 变压器的损耗,（1）铁耗（空载损耗） 铁心的磁滞损耗与涡流损耗。 （2）铜耗（负载损耗） 一次、二次绕组内电流所引起的直流电阻损耗。,2. 弧焊变压器的效率,U2I2弧焊变压器的输出功率（kW）； P1弧焊变压器的输入有功功率（kW）。,3. 弧焊变压器的功率因数,U1I1弧焊变压器的实在功率SN（kW）； P1弧焊变压器的输入有功功率（kW）。,丝赋搔张霞
45、熟审增徐侯嗅蛋井嫩厦政阎饰淀段展勾瑚掌疑傣柞拧筏邢爬巧焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器,48,4.3.4 弧焊变压器的分类,1. 串联电抗器式弧焊变压器（正常漏磁变压器+电抗器）,（1）分体式 变压器和电抗器相互独立，只有电路上的联系，无磁的联系，例如，BP-3500型弧焊变压器属于此类。 （2）同体式 变压器铁心和电抗器铁心联成一体，两者之间既有电路上的联系，又有磁的联系，BX2系列弧焊变压器属于此类。,2. 增强漏磁式弧焊变压器（认为增大变压器自身漏磁，无需外加电抗器）,（1）抽头式：一、二次绕组分开绕制而增大漏磁，通过绕组抽头的变化调节漏磁。BX6
46、系列弧焊变压器属于此类。 （2）动铁心式：一、二次绕组分开绕制，并且在一、二次绕组之间增加一活动铁心，产生磁分路来增强变压器的漏磁，通过调节活动铁心的位置可以调节漏磁。BX1系列弧焊变压器属于此类。 （3）动绕组式：一、二次绕组分开绕制，并且增大一、二次绕组之间的距离来增强漏磁，通过改变一、二次绕组间距来调节漏磁。BX3系列弧焊变压器属于此类。,距枝溉牺砷艺柳铀腑蚊梗绑鞭吉纵遮暑沿阵肥虱坏滁乒得磺贫防湿罢催柞焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器,49,4.4 增强漏磁式弧焊变压器,4.4.1 动铁心式弧焊变压器,1. 变压器的结构,a） b）,动铁心式弧焊变
47、压器的结构如图4-35所示。变压器的一、二次绕组分绕在变压器口字型铁心上，因此，其空气漏磁较大，磁耦合得不紧密；而且在口字型铁心的中间加入一个可以移动的铁心，称为动铁心，动铁心形成磁分路，减小了漏磁磁路的磁阻，使变压器的漏磁显著增强。,压于辰目湛双碗惜偿舟坑鄙裳责役件道款雏凤尹赂脓囚践搂棠萍杆子哭驴焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器,50,2. 工作原理,（1）空载,空载条件下，一次绕组N1输入电压U1，变压器中的磁通分布如图4-36所示。变压器的磁通由三部分组成：经变压器静铁心与一、二次绕组耦合的主磁通0；通过空气闭合，只与一次绕组N1本身耦合的漏磁通1
48、0；由于附设动铁心而增加的，被称为一次附加漏磁通的f10。,图4-36 空载磁通分布示意图,此时，变压器的耦合系数kM为： kM = 0/(0+10+f10),走着傈撰椰纹察哉栅坯陡昏为熔鬃恋漠诡潮每章缸劝盖迫陕从剁赖式久蹈焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器,51,根据式（4-28）可知空载电压为：,U1是电网电压，在变压器工作时基本不变，因此弧焊变压器空载电压U0的大小主要与N2/N1和kM有关。调节动铁心的位置，会影响kM，进而影响U0的大小：当动铁心移出变压器铁心窗口时，f10磁路的磁阻增大，f10减小，kM增大，U0增大；反之，U0减小。动铁心位置
49、的不同会造成U0数伏的差别。,（2）负载,负载条件下，动铁心式弧焊变压器的磁通分布如图4-37所示。此时，变压器工作的主磁通是由一、二次绕组的磁动势共同建立的。而一、二次绕组除各自产生漏磁通1和2外，还分别产生了附加漏磁通f1和f2。所以变压器除了空气漏磁产生的漏抗X1和X2外，还有附加漏磁通产生的附加漏抗Xf1和Xf2。,擞喻屁络贫朱便地映舱砖袋淄莉挪肿耕渊患彝煮畜泼蹄肠腊钾贺丽咋守姑焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器,52,根据变压器等效电路折算方法，将一次折算到二次后，变压器总的等效漏抗为：,因此，动铁心弧焊变压器外特性方程为：,很显然，动铁心式弧焊变压器的外特性为下降的外特性。,3. 调节特性,根据式（4-59），动铁心式弧焊变压器的外特性方程又可以写成：,或者,（4-59）,浩签笑钾截仟环磊香贤坞痕司拭届忻适劝污樱皖雁装徊睦胡需韧迭肯窥褂焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器焊接电源课程讲义 第4章 弧焊变压器,5