增效弧焊变压器 所属技术领域 本发明涉及一种二次输出焊接电弧电压经电弧放大器增强放大处理后，增强引弧效果，增强电弧燃烧稳定性，飞溅少，降低输出电压的运用值40％，降低电源功耗40％以上。适用于厚、中、薄各种钢材，各种焊条电弧焊作业，可制成安全型34V-36V、通用型30V-55V、高品质型55V-70V的增效弧焊变压器，改变输出电压U2，满足特种高性能电弧焊设备及其它电弧设备应用。
背景技术 目前，公知的常用弧焊变压器，必须在一次初级侧与二次次级侧绕组之间有足够的漏磁电感量和二次输出绕组存在电抗特性的电感量，利用改变电感量或二次输出电压的方法，而达到调整焊接电流的目的。要想有较好的焊接效果，只有增大电感量，提高输出电压。但是，现有常用弧焊变压器不具备对输出焊接电弧电压的增强放大功能，下面是现有常用弧焊变压器共有技术性能的统计。1、电源输入容量每KVA时，输出焊接电流在11-18A之间，按现有常用弧焊变压器额定输出统计所得。2、存在用电效率低，功耗大的缺欠。3、引弧电压应满足50V以上。4、输出电压在55-90V，国家规定输出电压不大于80V，80V以上应加安全保护装置。5、输出电压与电弧电压比高，在1.77-2.66倍，按现有常用弧焊变压器额定输出统计所得。6、短路电流是正常焊接电流的1.25-2倍。7、存在电弧飞溅多、焊弧稳定性差、电弧冲击力大的不足。
发明内容 为了克服现有常用弧焊变压器共有技术性能存在的下列问题；1、电源输入容量每KVA时，只能输出焊接电流在11-18A之间，按现有常用弧焊变压器额定输出统计所得。2、存在用电效率低，功耗大的缺欠。3、引弧电压高，应满足50V以上。4、输出电压高，在55-90V。国家规定输出电压不大于80V，80V以上应加安全保护装置。5、输出电压与电弧电压比高，在1.77-2.66倍，按现有常用弧焊变压器额定输出统计所得。6、短路电流大，是正常焊接电流的1.25-2倍。7、存在电弧飞溅多、焊弧稳定性差、电弧冲击力大的不足。本发明的增效弧焊变压器不仅对二次输出焊接电弧电压有增强放大功能，还降低输出电压的运用值40％，降低电源功耗，同等焊接效果比常用弧焊变压器节电40％以上，有了突破性进展。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案 是利用铁磁元件对外施电压与电流的非线性，将串、并联铁磁谐振共存的工作原理构思下，在动铁式常用弧焊变压器结构性能的基础上，其变压器次级侧增加一个并联铁磁谐振电路绕组Wc和并联铁磁谐振电容C，单相芯式铁心和带空气隙的活动铁心L构成磁分路，将初级侧输入绕组W1与次级侧输出绕组W2、并联铁磁谐振电路绕组Wc、并联铁磁谐振电容C分开，构成并联铁磁谐振电路。改变活动铁芯L位置同时改变并联铁磁谐振容量和漏磁电感量的方法，来调节输出焊接电流和引弧电压的须求。在足够铁磁谐振容量下，具备对二次输出电弧电压增强放大功能，组合成电弧放大器电路(见图1)。磁分路的活动铁心L相当于变压器的漏感，对增效弧焊变压器输出空载电压U2c和焊接电流I2起到相互配合调节作用。其空载铁磁谐振时，伏安特性曲线(见图2)，铁磁谐振工作波形(见图3)。电弧放大器是根据并联铁磁谐振电路的饱和电抗器磁滞回线特性，利用外施电压下贮存能量，在外施电压减到零的过程中，此时贮存能量又全部返回到电源中去地特性(见图31-4)。一是利用常用弧焊变压器强功率输出的线性特性，电压波形为正弦波，它是输出功率的主流。二是并联铁磁谐振电路铁心磁化曲线的非线性特性，属电流谐振电路(见图2)，它是输出电弧功率的控制源。引弧电流开始时，输出电压U2在近似梯形波的并联铁磁谐振电压Uc的作用下，压缩了交流极性转换时间(见图3 3)。矫顽续流电流峰值的冲击性能(见图32-4)，构成电离通道。在传导电流的作用下，次级侧输出电压U2在30V时，焊接电流急剧增加，电弧燃烧稳定性急剧增强，满足φ4.0、J422电焊条正常电弧焊作业要求。随着输出电压U2的增高，其焊接效果有线性式的增强，进入恒流焊接电弧特性状态，实现电弧增强、增效的目的。饱和电抗器是并联铁磁谐振电路的主要组成部分，电弧放大器是增效弧焊变压器的核心。电弧放大器具备电弧增强、放大、稳定电弧的作用。其输入电压U1与输出空载电压U2c的数值比，不遵循匝比关系，而随活动铁心L调节位置而改变，适应大、小焊接电流时引弧电压需要(见图4)。输出电压的改变，不影响电弧放大器的正常运行，所以输出电压值可以按设计要求确定。
本发明的有益效果是 1、满足常用弧焊变压器焊条电弧焊的条件下，增效弧焊变压器电源输入容量每KVA时，输出焊接电流在18-33A之间。2、节能效果好，比常用弧焊变压器在同等级焊接效果时，节约用电40％以上。3、引弧电压低，应满足26V以上。4、降低输出电压运用值40％，输出电压在30-55V时，满足常用弧焊变压器的技术要求条件。安全型增效弧焊变压器34-36V±10％，适用J422、φ3.2、φ4.0，J506、φ3.2焊条电弧焊作业。输出电压在55-70V时，进入恒流焊接电弧特性状态，改变输出电压U2，还适合特种高品质电弧焊设备及其它电弧设备应用，提高用电安全性能。5、输出电压与焊弧电压比低，在1.3-2.2倍。6、短路电流小，为正常焊接电流的1.1-1.5倍。7、并具备焊弧飞贱少、电弧燃烧稳定性好、电弧冲击力适中的特点，适用厚、中、薄各种钢材，各种焊条电弧焊作业。8、增效弧焊变压器的核心电路是电弧放大器，它有增强电弧燃烧稳定性的特殊功能，有着广泛的应用价值。9、具有结构简单、耐用性强、造价低。同等级焊接效果，制造中、大型增弧焊变压器比常用弧焊变压器造价明显下降，使用维护方便。
附图说明 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是增效弧焊变压器原理图。
图2是增效弧焊变压器铁磁谐振伏安特性曲线。
图3是增效弧焊变压器铁磁谐振工作波形。
图4是增效弧焊变压器活动铁芯L与空载电压U2c和短路电流I2倍数关系。
图5是实施例10KVA增效弧焊变压器接线图。
图6是实施例10KVA增效弧焊变压器铁芯结构图。
图7是实施例10KVA增效弧焊变压器各绕组、活动铁芯L分布位置图。
图8是增效弧焊变压器中并联铁磁谐振电路
图9是增效弧焊变压器结构图。
图10是增效弧焊变压器空载输入输出特性。
图11是增效弧焊变压器铁心磁化特性曲线。图中，W1：初级侧输入绕组。W2：次级侧输出绕组。Wc：并联铁磁谐振电路绕组。C：并联铁磁谐振电容。A：主磁路铁芯A柱。B：主磁路铁芯B柱。L：活动铁心。Ic：容性电流。IL：感性电流。①：输入端开路，并联铁磁谐振电路绕组加电压Uc时，电抗器中电流IL与Uc的关系。②：电容C加电压Uc时，电容电流Lc与Uc的关系。③：曲线①和曲线②的合成曲线，曲线③实际是并联铁磁谐振电路电流IL+Ic与并联铁磁谐振电压Uc的关系，输入电流I1=(IL+Ic)×U1Uc.]]>④：表示输入电流I1在线性电感L0上的压降，L0是在活动铁芯L的作用下输入电压U1在电抗特性的线性电感。⑤：输入电压U1与输入电流I1的关系，也是Uc与IL+Ic的关系，曲线③与曲线④的合成。U1：电源输入电压。U2：输出电压。Uc：并联铁磁谐振电路电压。IL＝Lc：并联铁磁谐振电流，IL感性电流和容性电流Lc同时存在。φ：饱和电抗器磁化曲线。t：时间。5-6：计算输出电压U2 30V时，活动铁芯L调入，空载电压U2c由下虚线“5”上升至上虚线“6”。9-10：计算输出电压U2 45V时，活动铁芯L调入，空载电压U2c由下虚线“9”上升至上虚线“10”。7-8：计算输出电压U2 30V时，短路电流是焊接电流I2的倍数，活动铁芯L全调出时为实线“7”，全调进时为虚线“8”。11-12：计算输出电压U2 45V时，短路电流是焊接电流I2的倍数，活动铁芯L全调出时为实线“11”，全调进时为虚线“12”，U2c：空载输出电压。h1：初级侧绕组高度。h2：次级侧绕组高度。h3：初级侧与次级侧绕组间距。I1、i1：初级侧输入电流。13：谷点。14：Bm1。15：B5。16：Bm2。B(KG)：磁通密度。H：磁场强度。
具体实施方式 在图5中举例说明本发明优选具体实施例10KVA增效弧焊变压器，电源电压380V。输出空载电压53V、46V、36V。输出焊接电流188A、218A、278A。220V时6KVA。输入容量P1计算：P1＝P2K，P2：输出功率，K：系数取1.1，10KVA×1.1＝11KVA。图6所示单相芯式铁心有效截面积Am计算：Am=K0P1(cm2),]]>K0：系数取0.7，0.711KVA=73cm2,]]>按73cm2。主磁路铁心规格选择：增效弧焊变压器与常用变压器相比，除窗口截面积加大一倍(确切地说，应该是窗口宽度不变，而长度加大一倍的原则)左右，为了不使整体增效弧焊变压器结构过长，选窗口宽度略大于主磁路宽度。选主磁路宽度6.5cm，厚度为12cm，考虑选片系数关系，实际铁心有效面积按73cm2计算。采用单相芯式铁心，窗口截面积按18cm×7.5cm＝135cm2。主磁路铁A、B柱间距选择：经试验确定，一般间距按6-10cm之间，制造小功率增效弧焊变压器选下限，大功率的选上限，保证有足够的额定焊接电流I2输出，但间距又不能选的过大，选间距7.5cm。磁分路活动铁心L铁心有效截面积选择：经试验所得，随着确定输出电压U2的降低，活动铁心L所需铁心有效截面积随之增大，反之，有效截面积就减小。活动铁心L的高度空隙以能顺利调节为准，一般铁心有效截面积为主磁路铁心有效截面积的70％左右，应远小于主磁路铁心有效截面积的原则确定。在输入标准电源电压活动铁心L全调入时，应满足小焊接电流I2的要求。活动铁心L全调出时，应保证有120％额定输出焊接电流I2，以适应电源电压波动。选活动铁心L，长：13cm，厚：4cm，有效截面积：52cm2。图7所示，10KAV增效弧焊变压器各绕组配置与活动铁心L位置分部：初级侧输入绕组高：h1＝4.5cm，次级侧输出、谐振绕组高：h2＝7.5cm，磁分路初、次级侧间距：h3＝6cm，h3两侧滑道用耐磨酚醛绝缘板厚5mm制成，活动铁心L胶合成型。初级侧与次级侧绕组间距h3选择：经测得，初级侧与次级侧绕组间距选6cm，过大的间距要降低额定输出最大电流。适当增大初、次级侧绕组间距，可以改善电弧燃烧稳定性，所以说最佳电弧效果与初、次级侧绕组间距选择是非常重要的，应进行合理调整确定。图8所示，铁磁谐振容量Pc选择：经过试验，确定最佳铁磁谐振容量Pc，在1.3-1.6KVA之间，根据实际情况，可以改变铁磁谐振电压和铁磁谐振电容容量的方法，改变铁磁谐振容量Pc。制造小功率增效弧焊变压器选下限，大功率选上限，其铁磁谐振容量Pc选择范围变化不大。铁磁谐振容量Pc计算：铁磁谐振电路绕组Wc的电压按铁心磁化曲线线性段Bm1计算为179V(见图11)，由于在Bm1-B5段工作点变化，Bm2以左，实际铁磁谐振电压Uc进似200V。铁磁谐振电流Ic选8A，铁磁谐振电容C=IcωUc×106(uF)≈120uF,]]>可以串、并联多个电容器组成，ω＝2πf(角频率)，电容耐压选500V以上，求得铁磁谐振容量Uc Lc≈1.6KVA。图9所示各绕组的绕制原则。初级侧输入绕组W1，次级侧输出绕组W2，铁磁谐振电路绕组Wc，各绕组按匝数平均绕在初级侧及次级侧各A、B两铁心柱上，采用串联连接(见图5)，改变各绕组绕制方法，也可采用并联连接方式。图10所示，空载输入工作点的确定，增效弧焊变压器空载输入输出特性曲线分成三个阶段：0-U1.1之间时，输出电压较低，次级侧铁心处于线性磁化阶段，整个变压器相当于等效漏磁电感L和输出谐振电容C的串联。输入电流是感性的。U1.1由于等效电感和并联电路等效电容的关系是ωL=1ωC,]]>而发生串联铁磁谐振现象(输出焊接电弧电压U2在此点之上)。输入电流增大，并且由感性变为容性。U1.2时，输出等效并联电路合成电流约为零，输入电流呈电阻性，数值也最小，称此点为输入电压的谷点(见图10 13)。U1.3时，电压由高到低时，铁心磁化曲线。空载输入工作点，选在谷点偏右适当位置，取此点为输入电压额定值工作点。经试验确定在不接入并联铁磁谐振电容C之前，按常用弧焊变压器的形式接入标准电源电压时，空载输入电流I1在2.5A±20％为最佳状态，再接入确定的并联铁磁谐振电容C，见图2中进似“1-2”点，即为选定的工作点。铁磁谐振伏安特性曲线(见图2)，铁磁谐振工作波形(见图3)。图11所示，初级侧绕组W1匝数计算：W1=U×1084.44fAmBm1,]]>Bm1：铁心平均磁化曲线弯曲处左面，线性区段。Am：主磁路铁心有效截面积cm2。f：输入电源频率Hz。U1：输入电压额定值。输入绕组1.79V/匝，必须实测效验，在不接入电弧放大器功能时，在额定输入电压下，空载电流I1应调在2.5A±20％范围之内。实际可在初级侧增加一个电源电压2％、3％两绕组(见图5)，线截面积同输入绕组W1，以备调整工作点使用。次级侧输出绕组W2，铁磁谐振电路绕组Wc的计算：次级侧绕组按初级侧的匝比关系计算，按1.79V/匝。实际运用时，因活动铁心L的调节使次级侧铁心磁化曲线在Bm1至B5范围变化，输出空载电压U2c也随之变化，不遵循匝比关系，由铁心饱和磁化状态决定。输出绕组各绕组电磁线截面积计算：导线电流密度按3A/mm2，输出电压36V时按4A/mm2。输入绕组W1电流I1=11KVA380V=28.9A,]]>选：9mm2。铁磁谐振电路绕组Wc电流Ic=1.6KVA200V=8A,]]>选：3mm2。输出绕组W2电流I2=10KW53V=188A]]>选：66mm2，10KW46V=218,]]>A选：66mm210KW36V=278A,]]>选：66mm2。输出电压U2的改变，不影响电弧放大器的正常运行。输出电压U2应按设计要求确定。增效弧焊变压器是由电弧放大器为核心，属于参数型电弧增强放大，可称之：参数型增效弧焊变压器、参数型增效交流弧焊机，或称增效交流弧焊机。一般说，要定型一种规格型号，总是要经过几次反复才能达到设计要求，适应定型批量生产。现有成品样机，提供技术参数。