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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）。,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
3、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。,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
4、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),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
5、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，匝与匝之间是串联关系。则有：,线圈的磁通匝数或磁通链数， =N。,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,6,2. 磁路的基尔霍夫定律,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
6、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,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= 0,8,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 R
7、1 +I3 R3 E1 = 0,或 I2 R2+I3 R3 E2 = 0,9,-1 23 = 0 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。,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，所以铁磁材料的磁导率Fe要比非铁磁材料大得
8、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。,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
9、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
10、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。,12,2磁滞回线,铁磁材料所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=-H
11、c时，B=0，Hc称为矫顽力。 Br 、 Hc是铁磁材料的两个重要参数。,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）。
12、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。,14,4.1.5 铁心损耗,1磁滞损耗 铁磁材料
13、置于交变磁场中，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
14、流所流过的路径越长，涡流损耗就越小。,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“N2”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”,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
15、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),
16、d),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。,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
