ТРАНСФОРМАТОР Российский патент 2001 года по МПК H05B7/144 B23K9/06 F27B3/08 C22B9/21 

Изобретение относится к области электротехники, а именно электросталеплавильному и электросварочному оборудованию.

Известны печные трансформаторы для дуговой плавильной установки (см., например, Окороков Н. В. Дуговые сталеплавильные печи. -М.: Металлургия, 1971, с. 17-19 [1]) и сварочные трансформаторы (см., например, Титов О.И. Справочник электросварщика ручной сварки. Новосибирское книжное издательство, 1989 [2]), содержащие магнитопровод, первичную и вторичную обмотки.

Но для возбуждения (зажигания) дуги и поддержания ее горения необходимы:
- значительная мощность трансформатора и большой расход электроэнергии,
- устройство трансформатора, обеспечивающего так называемую "падающую" вольт-амперную характеристику (ВАХ), например, наличие магнитопровода с повышенным магнитным рассеянием или дросселя,
- принятие мер по стабилизации дуги при колебаниях питающего напряжения и переходе его амплитуды с одного полупериода через ноль на другой, а также обеспечение необходимого времени (не более 50 мкс) восстановления напряжения зажигания после замыкания цепи электрод - деталь каплями расплава (см., например, Справочник сварщика под редакцией Степанова В.В. - М.: Машиностроение, 1983 [3]).

Известно также применение для печных и сварочных трансформаторов дополнительных источника напряжения или источника тока повышенной частоты в качестве устройств первоначального возбуждения дуги, но в этих случаях кроме усложнения оборудования печной установки требуется значительное усиление изоляции обмоток рабочего напряжения (см. например, Леушин А.И. Дуга горения. Свойства мощных дуг современных сталеплавильных печей. - М.: Металлургия, 1973, с. 145).

Основным недостатком известных печных трансформаторов является то обстоятельство, что их электрическая мощность непосредственно не связана с возможностями теплообмена в печи. Поэтому всегда имеется опасность ввести в электропечь чрезмерную мощность ([1], с. 23).

Существующая система регулирования электрической мощности, вводимой в печь, инерционна и, поскольку печные трансформаторы работают в особо тяжелых условиях резкопеременного графика ударной нагрузки, к ним предъявляются более высокие требования по сравнению с обычными трансформаторами, что ведет к их удорожанию. Например, они должны обладать большей перегрузочной способностью по току, повышенной прочностью, большим диапазоном и числом ступеней вторичного напряжения и т.д.

Но вторичное напряжение печного трансформатора регулируют только переключением первичных обмоток, т.к. переключение вторичных обмоток неосуществимо из-за весьма мощных токов, соответственно больших сечений вторичных цепей и малого числа витков ([1], с. 318-323).

Регулирование вторичного напряжения вызывает увеличение затрат материалов и стоимости тем больше, чем шире диапазон регулирования. Трансформатор без регулирования вторичного напряжения при тех же массе и размерах мог бы отдавать большую мощность.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому (прототипом) ввиду аналогичности дуговых процессов, возникающих при плавлении металла в дуговой печи и сварке, может быть принят "Источник питания сварочной дуги" по патенту RU 2022735 C1, кл. B 23 K 9/06, 1994, содержащий однофазный трансформатор с одной первичной и двумя вторичными обмотками, каждая из которых подключена к соответствующему выпрямителю, а выходы обоих выпрямителей соединены параллельно сварочным электродам. При этом в цепь первой вторичной обмотки включено регулировочное сопротивление, и выпрямители выполнены однофазными неуправляемыми.

Основными недостатками прототипа являются однофазность исполнения, ограничивающая его использование только в качестве маломощного сварочного, и повышенное число диодов в схеме выпрямления.

Техническая задача - снижение металлоемкости и стоимости не только сварочного, но и сталеплавильного оборудования, повышение КПД печной установки и улучшение эксплуатационных показателей дуговых печей.

Это достигается тем, что вторичные обмотки трансформатора выполнены соединенными последовательно, в качестве устройства регулирования величины тока использованы регулируемые сопротивления или регулируемые дроссели. При этом одна часть вторичной обмотки рассчитана на максимальный ток электрической нагрузки и низкое напряжение поддержания горения дуги, а другие, являющиеся продолжением первой и дающие вместе с ней напряжение зажигания дуги во всех реальных режимах работы печи, выполнены минимальной мощности и соединены последовательно с регулируемыми сопротивлениями или регулируемыми дросселями.

Сущность изобретения заключается в том, что крутопадающая вольт-амперная характеристика (ВАХ), как непременное условие стабильности горения дуги, обеспечивается ионизацией технологических зазоров между электродами за счет суммирования напряжения двух и более составляющих вторичной обмотки, а силовая, того же или даже большего сечения по сравнению с известными трансформаторами, но в несколько раз меньшего числа витков, поддерживает горение дуги и плавку металла с таким расчетом, что общее число витков вторичной обмотки в принципе остается неизменным при значительном облегчении большей ее части.

Проведенный патентный поиск показал отсутствие печных трансформаторов с предлагаемой совокупностью признаков.

Таким образом, в данном случае известные элементы объединены новыми связями, придают печному и сварочному трансформаторам новые свойства, проявившиеся в положительных эффектах, вследствие чего решение может быть признано имеющим изобретательский уровень.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана схема однофазного сварочного трансформатора, на фиг. 2 показан вариант 3-фазного печного трансформатора с условными обозначениями:
1 - первичная обмотка трансформатора,
2 - магнитопровод,
3 - силовая часть вторичной обмотки,
4 - вторичная обмотка вместе с ее частью поджигания дуги,
5 - двухполупериодная схема выпрямления тока силовой части,
6 - двухполупериодная схема выпрямления тока поджигания дуги,
7 - регулируемое сопротивление или дроссель,
8 - электроды,
9 - свариваемая деталь.

Как видно из схем фиг. 1 и 2 силовая часть 3 вторичной обмотки и ее часть 4, служащая для возбуждения дуги, соединены последовательно таким образом, что общее напряжение их суммируется, а диодная запирающая развязка схем выпрямления 5 и 6 исключает протекание тока по вторичной обмотке при отсутствии дуги, т. е. на один электрод 8 от силовой части 3 и от обмотки возбуждения (поджигания) дуги 4 приходят потенциалы одной полярности с суммированием их на электродах 8.

Такое исполнение вторичной обмотки 3, 4 диктуется значительной разницей напряжений зажигания и горения дуги ([4], с. 144).

Силовая часть 3 вторичной обмотки имеет возможно малое внутреннее сопротивление R₀, что осуществляется за счет значительного уменьшения числа ее витков до напряжения поддержания горения дуги при достаточном их сечении (не меньшем, чем у известных печных трансформаторов). Она изолирована от земли; через схему двухполупериодного выпрямления 5 и короткую сеть напрямую питает дуговую печь.

Обмотка 4 поджигания дуги выполняется с таким расчетом, чтобы ее напряжение совместно с силовой частью 3 вторичной обмотки обеспечивала надежное зажигание дуги во всех реальных режимах работы печи. При этом усиления изоляции ни первичной 1, ни вторичной 3, 4 обмоток не требуется, т.к. уровень рабочего напряжения по сравнению с известными трансформаторами остается в принципе неизменным.

Ток, проходящий через обмотку поджигания дуги 4, а значит и ее сечение, значительно меньше (в 20-50 раз), чем ток нагрузки силовой обмотки 3, и может регулироваться включенным последовательно сопротивлением 7 или дросселем, которые обеспечивают нужную крутизну "падения" ВАХ.

Возможно и регулирование (переключение) числа ее витков под нагрузкой аналогично регулированию числом витков и напряжением первичной обмотки известных трансформаторов и в отличие от них.

После двухполупериодного выпрямления диодами 6 облегченная обмотка поджигания дуги 4 также присоединяется к электроду 8.

При необходимости более плавного автоматического включения в работу силовой части 3 возможно продолжить деление вторичной обмотки на 3, 4 и т.д. частей, подключаемых к электроду 8 через такие же диодные развязки (на схемах не показаны).

Электрическая дуга в печи возникает вследствие непрерывного или скачкообразного перехода из устойчивого маломощного разряда под действием напряжения всей вторичной обмотки, т.е. двух ее частей 3 и 4. Она может развиваться и при неустойчивом переходе искрового разряда.

В самостоятельном разряде наблюдается неравномерное распределение электрического поля в межэлектродном пространстве, сопровождаемое большой плотностью тока и высокой температурой ([4], с. 19).

Под действием высокой температуры катода начинается испускание с него потока электронов и ионизация среды. Образующаяся при этом лавина электронов, быстро несущаяся на анод, образует проводящий канал ([4], с. 24) для включения силовой части 3 вторичной обмотки.

По мере дальнейшего развития горения дуги образуется плазма с высокой температурой.

Основным свойством плазмы является ее электропроводимость.

За счет значительного падения напряжения на сопротивлении 7 или дросселе, которые включены последовательно обмотке 4 поджигания дуги, потенциалы одного знака, приходящие на электрод 8 от обмотки 4 и обмотки 3, выравниваются, а нагрузка на них распределяется обратно пропорционально их сопротивлениям.

Плазма образуется в парах, заполняющих внутреннее пространство дуговой печи. Само горение при этом сопровождается выделением большого количества тепловой энергии и газов, которые можно рассматривать как микровзрывы ([4], с. 25).

На конкретном примере сварочного трансформатора (фиг. 1), который по аналогии физических процессов можно рассматривать как действующую модель печного, покажем основные преимущества предлагаемого трансформатора, подтвержденные на практике:
1. Как хорошо известно для возбуждения дуги необходимо создать между сварочным электродом 8 и деталью 9 разность потенциалов не менее 50-80 вольт, а для расплавления металла детали 9 и электрода 8, т.е. осуществления процесса поддержания горения дуги, - всего 18-25 вольт при наличии источника тока с "падающей" ВАХ.

Следовательно, при создании условий возбуждения дуги маломощной обмоткой 4 стоимость, расход материалов и требуемая мощность для расплавления электрода аналогичного диаметра уменьшаются в 2-3 раза.

При этом благодаря увеличению крутизны "падения" ВАХ и изменению рода тока с переменного на постоянный это приводит к еще большей стабилизации горения дуги и улучшению качества плавки и сварки.

Применение конденсатора для выравнивания пульсаций напряжения (на схемах не показаны) еще больше стабилизирует дугу и еще уменьшает требуемую мощность печного и сварочного трансформатора за счет увеличения напряжения вторичной обмотки в целом до амплитудного, т.е. в 1,4 раза, что позволяет во столько же раз дополнительно снизить число витков обмотки 3 и 4, а конечное снижение вторичного напряжения существенно уменьшает потери в магнитопроводе 2 и его нагрев ([1], с. 326).

2. КПД современной печной установки не превышает 50%.

Дело в том, что высокая эффективность печной установки имеет место лишь в том случае, если сопротивление R_п в месте возникновения дуги (в печи) имеет тот же порядок величины, что и внутреннее сопротивление печного трансформатора R₀. Уже при R_п=0,1R₀ более 90% энергии трансформатора выделяется в самом трансформаторе.

Задача заключалась в создании трансформатора, обеспечивающего надежное зажигание и горение дуги (400-600 вольт) при возможно малом своем внутреннем сопротивлении R₀.

Следовательно, единственно целесообразным является применение нескольких ступеней работы печного трансформатора.

У известных она (задача) реализуется переключением числа витков первичной обмотки. Причем для того чтобы снизить напряжение вторичной обмотки, например, с 417 до 131 вольта, необходимо 23 ступени по 13 вольт на ступень с низкой стороны и 1090-3470 вольт с высокой ([1], с. 329).

Обозначим через η КПД печной установки, равный отношению энергии, выделяемой в печи, ко всей энергии, затрачиваемой печным трансформатором.

Тогда

т. е. КПД печной и электросварочной установок зависит от отношения и снижение R₀ за счет значительного снижения числа витков силовой части 3 вторичной обмотки, некоторого или возможно большого увеличения ее сечения, параллельного соединения силовой 3 и поджигающих 4 частей вторичной обмотки, а также применение сглаживающего конденсатора значительно повышает КПД печной установки, снижает нагрев и требуемую мощность трансформатора, стабилизирует дугу, улучшает качество плавки и дает дополнительные возможности для автоматического регулирования процессов в печи уже воздействием на вторичную обмотку и исключает опасность ввода в электропечь чрезмерной мощности.

Изобретение относится к электротехнике, а именно электросталеплавильному и электросварочному оборудованию. Технический результат - снижение себестоимости, повышение КПД и других эксплуатационных показателей дуговых печей. Вторичная обмотка каждой фазы состоит из двух частей, подключенных к одному электроду через выпрямители. При этом одна часть вторичной обмотки рассчитана на полную электрическую мощность и низкое напряжение поддержания горения дуги, а другая, являющаяся продолжением первой и дающая вместе с ней напряжение зажигания дуги во всех реальных режимах работы печи, выполнена минимальной мощности и соединена последовательно с дросселем или регулирующим сопротивлением. Электрическая дуга в печи возникает вследствие непрерывного или скачкообразного перехода из устойчивого маломощного разряда под действием напряжения всей вторичной обмотки. По мере развития горения дуги образуется плазма с высокой температурой. За счет падения напряжения на дросселе потенциалы обеих частей вторичной обмотки выравниваются и нагрузка на них распределяется обратно пропорционально их сопротивлениям. 2 ил.

Трансформатор преимущественно для дуговой плавильной печи, содержащий систему охлаждения, магнитопровод, первичную обмотку и несколько вторичных обмоток, выпрямители по числу вторичных обмоток, выходы которых соединены параллельно с положительным и отрицательным электродами, вход одного из выпрямителей соединен со своей вторичной обмоткой непосредственно, а входы остальных выпрямителей соединены со своими вторичными обмотками через устройство регулирования величины тока, отличающийся тем, что вторичные обмотки выполнены соединенными последовательно, в качестве устройства регулирования величины тока использованы регулируемые сопротивления или регулируемые дроссели, при этом одна часть вторичной обмотки рассчитана на максимальный ток электрической нагрузки и низкое напряжение поддерживания горения дуги, а другие, являющиеся продолжением первой и дающие вместе с ней напряжение зажигания дуги во всех реальных режимах работы печи, выполнены минимальной мощности и соединены последовательно с регулируемыми сопротивлениями или регулируемыми дросселями.