弧焊变压器及其特殊性的分析介绍，

弧焊变压器是一种特殊的变压器，主要用于焊条电弧焊等。弧焊变压器工作的基本原理与普通电力变压器相同，但由于弧焊变压器的负载是电弧，而且不同弧焊方法和工艺也具有不同的特点，因此，与普通电力变压器相比，弧焊变压器具有其特殊性，主要表现在以下几点：

1）弧焊变压器主要用于交流电弧焊接，其输出为正弦波交流电，具有低电压、大电流的特点。

2）弧焊变压器主要用于焊条电弧焊，根据其电弧特性以及焊接工艺的要求，弧焊变压器应具有下降的外特性，而获得下降外特性的方法是在焊接回路中增加感抗，增加感抗的方法包括外加电抗器，或者改变变压器的结构，以增加其漏抗。

3）弧焊变压器的负载是交流电弧，为了使电弧易于引燃并能保证交流电弧的稳定燃烧，弧焊变压器应具有足够高的空载电压，并且具有足够大的感抗，从而可以有效地消除电压过零引起的熄弧现象。

4）为了满足弧焊变压器的调节性能，弧焊变压器的感抗值能够调节。

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U_f。根据变压器工作的基本原理及其等效电路的分析方法，可以得到弧焊电源与电弧负载的简化等效电路（见图3-20）。该电路是将变压器的一次折合到二次的等效电路，其中X_k与R_k为弧焊变压器结构以外的等效感抗（包括外加串联的感抗与线间感抗）、等效电阻（包括外加串联的电阻与线间电阻）。

图3-20 弧焊变压器的简化等效电路

假设电弧负载等效为线性负载。根据简化等效电路图3-20及电路的基尔霍夫定律，可以列出电动势平衡方程：

整理得到

式中 R_L——弧焊变压器总的等效内阻，R_L=r″₁+r₂；

X_L——弧焊变压器总的等效漏抗，X_L=X″₁+X₂；

——弧焊变压器空载时的二次线圈的端电压，称为空载电压；

——焊接电流；

——焊接电弧电压。

由于弧焊变压器与电弧构成串联回路，因此焊接电流就是弧焊变压器二次回路的电流；如果将外加的感抗与电阻看成是弧焊变压器的一部分，而且忽略线间感抗和电阻的话，弧焊变压器输出的电压U_y与电弧电压U_f就相等（电弧稳定燃烧时电弧静特性与电源外特性的交点为系统的稳定工作点）。根据弧焊电源外特性定义，将弧焊电源输出电流和电压代替焊接电流和电压，即得到弧焊变压器的外特性方程：

由式（3-41）可以看出，弧焊变压器输出的空载电压U₀一定时，当R_L+R_k或X_L+X_k较大时，随着输出电流I_y的增大，输出电压U_y将降低，即弧焊变压器的外特性为下降特性。

由此可见，增大变压器内阻或外加串联电阻、增大变压器的漏抗或外加串联电抗器的方法都可以使变压器获得下降的外特性。

采用增大电阻的方法会增加弧焊变压器有功功率的损耗，而且电弧不稳，在交流电弧焊接过程中还会出现熄弧现象，因此一般不采用此方法。

采用增大变压器自身的漏抗或外加串联电抗器的方法不仅可以使弧焊变压器获得下降的外特性，而且还可以使交流电弧的电流滞后于电源电压的变化，从而保证交流电弧连续燃烧，因此，在弧焊变压器中一般采用增大感抗的方法来获得下降的外特性。

由于弧焊变压器的内阻和线间电阻很小，可以忽略，因此可以进一步简化，得到图3-21所示的弧焊变压器简化等效电路。相应的外特性方程可以由下式表示：

其中，X_Z=X_L+X_K为变压器的等效感抗。

根据弧焊变压器外特性方程的相量表达式（3-42），图3-22为弧焊变压器的简化相量图。

图3-21 弧焊变压器简化等效电路

图3-22 弧焊变压器的简化相量图

图3-22中以弧焊变压器的二次电流即弧焊变压器的输出电流为参考相量，输出电压与同相位，而则比超前90°，与的相量和即为，即三相量构成了以为斜边的直角三角形。当X_z和不变时，减小到，感抗上压降随之减小至，而弧焊变压器输出电压增大至，即图中三角形的顶点要沿着以为直径的半圆上移，如图3-22中虚线所示。每改变一次I_y，就对应得到一个U_y，将其变化绘制在直角坐标系中，就可以得到图3-23所示的一条外特性曲线U_y=f（I_y）。减小X_z，可以得到另外一条外特性曲线U_y′=f（I_y′），有一个X_z，就对应一条外特性曲线，这也是弧焊电源外特性实验的基本原理。根据图3-22和图3-23，外特性曲线方程式又可以写成如下形式：

U²₀=U²_y+（I_yX_z）2

即

式（3-43）是U_y和I_y为变量的椭圆方程。U₀为弧焊变压器的空载电压，I_wd=U₀/X_z为弧焊变压器的短路电流值。

由图3-23可见，弧焊变压器的外特性曲线形状是四分之一的椭圆，U₀/X_z和U₀分别是椭圆的长短轴。等效感抗X_z越大，椭圆的长轴越短，弧焊变压器的外特性曲线越陡降。

综上所述，弧焊变压器需要下降的外特性，获得下降外特性常用的方法是在输出回路中串联一个电抗器或者增大变压器自身的漏抗。变压器外加电抗器或者自身漏抗的感抗越大，弧焊变压器的下降外特性越陡降。感抗的大小与变压器自身的结构或者外加电抗器的结构有关，也就是说，弧焊变压器外特性形状是由弧焊变压器的结构所决定的。

2.弧焊变压器的调节特性

不同板厚、不同直径的焊条电弧焊需要选用不同的焊接电流，因此，与普通变压器的另一个区别，就是弧焊变压器可以通过调节，输出不同的焊接电流和电压。也就是弧焊变压器具有一定的调节特性。

图3-23 弧焊变压器外特性曲线

弧焊变压器输出电流的调节，就是通过调节感抗，使弧焊变压器输出不同的外特性。

由于弧焊变压器是下降的外特性，电源的调节特性主要是考虑输出电流I_y的调节范围，而电弧弧长的变化是影响电流的主要因素之一，电弧弧长变化将直接影响电弧电压U_f的变化，而稳定燃烧时，弧焊变压器输出的电压U_y与电弧电压U_f相等，为了分析方便，习惯上是用电弧电压U_f代替U_y，根据式（3-43）的外特性方程，经过变换，可以得到调节特性方程：

由弧焊变压器调节特性方程可知，只要调节串联电抗器X_K或者变压器自身漏抗X_L的感抗值，就可以得到不同的外特性曲线。如果通过调节，得到一组感抗值，那么对应的就可以得到一组外特性曲线。调节感抗值的大小，就是调节了外特性曲线，也就调节了弧焊变压器输出的焊接电流。

图3-24表示了弧焊变压器最大和最小感抗值对应的外特性曲线，相应的外特性曲线与额定负载特性的交点所对应的电流I_y1、I_y2就是电源输出的最小与最大电流，因此弧焊变压器输出的焊接电流范围就是I_y1～I_y2。

图3-24 弧焊变压器调节特性

注意，在本书对弧焊电源外特性分析中，经常采用一些习惯的表示方法，即用焊接电流I_f代替I_y，用电弧电压U_f代替U_y，请读者注意其概念的不同。

3.串联电抗器式弧焊变压器

弧焊变压器一般具有下降的外特性，这是它与普通电力变压器的主要差别之一。根据其获得下降外特性的方法不同，可将弧焊变压器分为串联电抗器式、增强漏磁式两大类。

串联电抗器式弧焊变压器是利用外接电抗器增大焊接回路的感抗获得下降外特性的。它往往由正常漏磁的变压器与外加的电抗器构成。根据变压器和电抗器之间的结构，又可以细分如下：

（1）分体式 其变压器和电抗器相互独立，只有电路上的联系，无磁的联系。BP—3×500型弧焊变压器属于此类。

（2）同体式 其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。

我国同体式弧焊变压器的编号为BX系列和BX2系列，小电流时的电弧稳定性较差，宜于做成大、中容量的弧焊电源，如BX—500、BX2—500、BX2—700、BX2—1000等，适用于埋弧焊、焊条电弧焊等。

4.增强漏磁式弧焊变压器

增强漏磁式弧焊变压器是通过增大变压器自身的漏磁，增大焊接回路的感抗，获得下降外特性。此种弧焊变压器无须串联外加的电抗器。根据增加变压器自身漏磁方法的不同，又可以细分为动铁心式弧焊变压器、动线圈式弧焊变压器和抽头式弧焊变压器三种。

（1）动铁心式弧焊变压器 一、二次线圈分开绕制，并且在一、二次线圈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。

动铁心式弧焊变压器的结构如图3-25所示。变压器的一、二次线圈分绕在变压器口字形铁心Ⅰ上，其空气漏磁较大，磁耦合得不紧密。同时，在口字形铁心的中间加入一个可以移动的铁心Ⅱ，称为动铁心。动铁心Ⅱ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，这种由于附设动铁心Ⅱ而增加的漏磁，被称为附加漏磁通。

如图3-25所示，动铁心Ⅱ可以做相对于静铁心Ⅰ的移动（在主视图中是垂直于纸面的移动；在左视图中是左右移动），调节动铁心Ⅱ的位置，可改变漏磁磁路的磁阻状态，从而调节附加漏磁的大小，故称为动铁心式弧焊变压器。这种弧焊变压器以可动铁心增强并调节漏磁为显著特征。

如图3-26所示，动铁心的形状有两种：矩形动铁心和梯形动铁心。在图3-26a中，当矩形动铁心移入时，动铁心与静铁心之间的距离δ不变，但是其相对的面积S_δ增大，使漏磁增大，k_M减小，变压器输出电流I_y减小；当矩形动铁心移出时，δ不变，S_δ减小，使漏磁减小，k_M增大变压器输出电流I_y增大。

图3-25 动铁心式弧焊变压器结构示意图

a）主视图 b）左视图

图3-26 动铁心形状及其与变压器静铁心的配合

a）矩形动铁心 b）梯形动铁心

图3-26b为梯形动铁心与静铁心配合的示意图。梯形铁心位置变化时，不仅S_δ变化，δ也随之变化。梯形动铁心在最里位置时，δ很小，接近于零，因而附加漏磁引起的感抗最大值比条件相当的矩形动铁心的大，电流调节的下限较小；反之，当梯形动铁心在最外位置时，δ比矩形动铁心的要大，附加漏磁引起的感抗最小值比条件相当的矩形动铁心的小，电流调节的上限较大。综上所述，梯形动铁心弧焊变压器的电流调节范围宽，调节线性好，因此梯形动铁心应用得比较广泛。

图3-27为变压器动铁心极限位置和对应的外特性曲线示意图。当变压器动铁心位于两极限位置之间时，对应的外特性也处于最小和最大的外特性曲线之间，即外特性的调节只能在最小和最大的外特性曲线之间进行。

动铁心式弧焊变压器是目前常用的弧焊变压器之一，这类变压器的内部漏抗足够大，不必外加电抗器就可以获得下降的外特性。动铁心式弧焊变压器结构简单、调节方便。但是由于有动铁心，因此存在着动铁心的轻微振动，但不至于影响焊接电流的稳定。适于中、小容量的产品。

国产动铁心式弧焊变压器是BX1系列，有BX1—160、BX1—250、BX1—315、BX1—500等多种规格。图3-28所示为某厂生产的BX1—315弧焊变压器的外特性曲线，其电流调节范围为75～400A。

图3-27 动铁心位置与外特性

图3-28 BX1—315外特性曲线

（2）动线圈式弧焊变压器 又称动圈式弧焊变压器，是另一类常用的增强漏磁式弧焊变压器。一、二次线圈分开绕制，并且借助增大的一、二次线圈之间的距离来增强漏磁，通过改变一、二次线圈的间距来调节漏磁。

图3-29为动线圈式弧焊变压器的结构图。变压器的一、二次线圈N₁、N₂分绕在变压器铁心上。由于N₁与N₂之间有一定的距离δ₁₂，因此变压器存在着较大的漏磁。N₂在变压器铁心的下方固定不动，N₁在上方。转动手柄可以调节N₁的上下位置，使N₁与N₂之间的距离δ₁₂发生变化，从而改变了变压器一、二次之间的耦合程度。当δ₁₂变化时，变压器的漏磁发生变化，变压器的漏抗随之变化。为了获得一定数值的可调漏抗，一、二次线圈的间的距离必须足够大，因此，动线圈式弧焊变压器的铁心窄而高。

如图3-30所示，当活动线圈N₁位于最上端时，N₁与N₂之间的距离δ₁₂为最大值，漏磁通最大，耦合系数k_M最小，空载电压U₀为最小值，电流I_y为最小值，对应输出下限的外特性。当N₁位于最下端时，δ₁₂为最小值，漏磁通最小，耦合系数k_M最大，空载电压U₀为最大值，电流I_y为最大值，对应上限的外特性。在N₂不变的条件下，δ₁₂调节范围的上下限也就决定了此种条件下的外特性曲线的两个极限位置。

图3-29 动线圈式弧焊变压器结构示意图

图3-30 动线圈式弧焊变压器动线圈位置与外特性

由于变压器铁心高度的限制，单纯地调节δ₁₂，往往不能满足输出电流调节范围的要求。

改变变压器一次、二次线圈之比，可以改变变压器的输出电压。为了弥补动圈式弧焊变压器输出电流范围小的问题，一般采用分档调节输出电流的方法，也就是利用改变变压器二次线圈N₂的匝数，进行变压器输出电流的粗调，利用改变一、二次线圈之间的距离，进行电流的细调。

因为N₂的变化会使空载电压U₀发生较大变化，所以改变N₂的同时，N₁也应适当调整，以使U₀保持不变或变化不大。在实际动圈式弧焊变压器中常常将一、二次线圈分为两组——N₁₁、N₁₂和N₂₁、N₂₂。将N₁₁和N₁₂串联，N₂₁和N₂₂串联作为变压器输出的小电流挡，此时，N₁与N₂之间的距离δ₁₂最大时，变压器输出电流I_y最小；当δ₁₂最小时，变压器输出电流I_y较大。将N₁₁和N₁₂并联，N₂₁和N₂₂并联作为变压器输出的大电流挡，此时，当δ₁₂最大时，变压器输出电流I_y较大；当δ₁₂最小时，变压器输出电流I_y最大。两挡电流的调节范围有一段搭接，以保证焊接电流可调范围的连续。

动线圈式弧焊变压器是目前常用的增强漏磁式弧焊变压器之一，不必外加电抗器就可以获得下降的外特性。动线圈式弧焊变压器没有活动铁心，因此避免了由于铁心振动所引起的小电流时电弧不稳定等问题。该类变压器电流调节的下限受铁心高度的限制，因而适用于中等容量的电源。由于要辅以改变线圈匝数的方法来调节焊接电流，因此使用不如动铁心式弧焊变压器方便；另外，消耗材料较多，经济性较差。

我国的动线圈式弧焊变压器为BX3系列，如BX3—160、BX3—250、BX3—315、BX3—500等。图3-31是为某厂生产的BX3—500弧焊变压器的外特性曲线。图中曲线1、2为小电流档时的外特性曲线，曲线3、4为大电流档时的外特性曲线。

（3）抽头式弧焊变压器 是一种增强漏磁式的弧焊变压器，它没有动铁心，也没有可活动的线圈，而是利用一、二次线圈在铁心上的分绕以及改变线圈抽头来改变一、二次耦合程度和漏抗。这类弧焊变压器有两心柱抽头式和三心柱抽头式，其中前者更常见。

图3-32为两心柱抽头式的弧焊变压器的结构示意图。该类变压器也采用口子型铁心，为了增大漏磁，在铁心中可以增加一个固定的旁路铁心（一般抽头式弧焊变压器中，没有此旁路铁心）。变压器的一次线圈N₁分为N₁₁和N₁₂两部分，N₁₂与二次线圈N₂绕在同一铁心柱上，二者耦合比较紧密，漏磁很少，N₁₂可称为一次非漏磁线圈；N₁₁单独绕在另一铁心柱上，与二次线圈N₂较远，耦合不紧密，漏磁较大，N₁₁可称为一次漏磁线圈（该种结构目前在动铁心弧焊变压器中也经常使用）。N₁₁和N₁₂各有一部分抽头。S₁、S₂是双刀同轴开关，通过此开关可以改变抽头位置。在改变抽头位置时，一次线圈匝数N₁=N₁₁+N₁₂应保持不变。

图3-31 动线圈式弧焊变压器的外特性

图3-32 抽头式弧焊变压器

这类弧焊变压器的总漏抗可用下述经验公式计算：

X_L=K（1-λ）N²₂ （3-45）

式中 K——变压器结构决定的系数。

λ——重合率，即

λ就是与N₂绕在同一铁心柱上耦合较紧密的那部分一次线圈N₁₂在整个一次线圈N₁中所占的比例。

抽头式弧焊变压器因X_L的存在，其外特性为下降特性。X_L受λ的影响较大，当与N₂耦合较紧密的N₁₂匝数减小时，则λ减小，X_L增大，外特性曲线变陡，反之亦然。

这类弧焊变压器不像动线圈式弧焊变压器有窄而高的铁心柱，也不像动铁心式弧焊变压器有动铁心的磁分路，其结构比较紧凑，易于做成便携式。由于它的漏磁不够大，X_L相对较小，因而外特性下降的陡度较小，甚至可以近似看作是斜降特性。如果在变压器中有固定的旁路铁心，则外特性比较陡降。

调节X_L，可以调节外特性。调节λ值可以调节X_L。由于一次线圈上有很多抽头，当改变抽头时，一般要保持N₁=N₁₁+N₁₂基本不变，亦即N₁₁增加时，N₁₂减小。但是，此时λ值会减小，反之亦然。这样U₀基本保持不变（利于电弧稳定），而外特性曲线则会随λ的增加、X_L的减小而向右移动，如图3-33所示。

在抽头式弧焊变压器中，X_L的调节范围有限，且只能有级调节。为了加大电流的调节范围，有时也将N₂进行抽头。

抽头式弧焊变压器一般做成便携式，负载持续率低，结构较紧凑，体积小，成本低，易于制造，无活动部分，电弧较为稳定，可靠性较高，适用于维修、移动和登高作业等场合。

我国制造的这类弧焊变压器属于BX6系列，如某厂生产的BX6—160抽头式弧焊变压器，电流调节范围为35A～190A，额定负载持续率为10%，重量约为20kg。

图3-33 抽头式弧焊变压器的外特性