Расчет сварочного трансформатора

Расчет сварочного трансформатора

Устройство  сварочного трансформатора 
Выбор мощности сварочного трансформатора 
Стандартная методика расчета трансформатора 
Упрощенный расчет сварочного трансформатора 
Выбор сечения магнитопровода 
Подбор витков трансформатора опытным путем

Расчет самодельных сварочных  трансформаторов имеет выраженную специфику, так как в большинстве  случаев они не соответствуют  типовым схемам и для них, по большому счету, нельзя применить стандартные  методики расчета, разработанные для  промышленных трансформаторов. Специфика  состоит в том, что при изготовлении самоделок параметры их компонентов  подстраиваются под уже имеющиеся  в наличии материалы - в основном под магнитопровод. Часто трансформаторы собираются не из самого лучшего трансформаторного железа, мотаются не самым подходящим проводом, усиленно греются и вибрируют.

При изготовлении трансформатора, близкого по конструкции промышленным образцам, можно пользоваться стандартными методиками расчета. Такие методики устанавливают наиболее оптимальные  значения обмоточных и геометрических параметров трансформатора. Однако, с  другой стороны, эта же оптимальность  является недостатком стандартных  методик. Так как они оказываются  совершенно бессильными при выходе какого-либо параметра за рамки стандартных  значений.

Устройство сварочного трансформатора

По форме сердечника различают  трансформаторы броневого и стержневого  типов.

 
Типы магнитных сердечников: а - броневой, б - стержневой.

Трансформаторы стержневого  типа, по сравнению с трансформаторами броневого типа, имеют более высокий  КПД и допускают большие плотности  токов в обмотках. Поэтому сварочные  трансформаторы обычно, за редким исключением, бывают стержневого тика.

По характеру устройства обмоток различают трансформаторы с цилиндрическими и дисковыми  обмотками.

 
Типы обмоток трансформаторов: а - цилиндрическая обмотка, б - дисковая обмотка. 1 - первичная обмотка, 2 - вторичная обмотка.

 
Самодельный сварочный аппарат

В трансформаторах с цилиндрическими  обмотками одна обмотка намотана поверх другой. Так как обмотки  находятся на минимальном расстоянии друг от друга, то практически весь магнитный поток первичной обмоткой сцепляется с витками вторичной  обмотки. Только некоторая часть  магнитного потока первичной обмотки, называемым потоком рассеяния, протекает  в зазоре между обмотками и  поэтому не связана со вторичной обмоткой. Такой трансформатор имеет жёсткую характеристику (про вольт-амперную характеристику сварочного аппарата читайте здесь, в конце статьи). Трансформатор с такой характеристикой не годится для ручной сварки. Для получения падающей внешней характеристики сварочного аппарата, в этом случае, используют или балластный реостат или дроссель. Наличие этих элементов усложняет устройство сварочного аппарата.

В трансформаторах с дисковыми  обмотками первичная и вторичная  обмотки отдалены друг от друга. Поэтому  значительная часть магнитного потока первичной обмотки не связана  со вторичной обмоткой. Ещё говорят, что эти трансформаторы имеют развитое электромагнитное рассеяние. Такой трансформатор имеет, необходимую, падающую внешнюю характеристику. Индуктивность рассеяния трансформатора зависит от взаимного расположения обмоток, от их конфигурации, от материала магнитопровода и даже от близко расположенных к трансформатору металлических предметов. Поэтому точный расчёт индуктивности рассеяния практически невозможен. Обычно, на практике, расчёт ведётся методом последовательных приближений с последующим уточнением обмоточных и конструктивных данных на практическом образце.

Регулировка сварочного тока, обычно, достигается изменением расстояния между обмотками, которые выполняются  подвижными. В бытовых условиях трудно выполнить трансформатор с подвижными обмотками. Выход может быть в  изготовлении трансформатора на несколько  фиксированных значений сварочного тока (на несколько значений напряжения холостого хода). Более тонкая регулировка  сварочного тока, в сторону уменьшения, может осуществляется укладыванием сварочного кабеля в кольца (кабель будет сильно нагреваться).

Особенно сильным рассеиванием и, следовательно, крутопадающей характеристикой  отличаются трансформаторы П-образной конфигурации у которых обмотки разнесены на разные плечи, так как расстояние между обмотками у них особенно велико.

 
Обмотки трансформатора разнесенные  на разные плечи: 1 - первичная, 2 - вторичная.

Но они теряют много  мощности и могут не дать ожидаемый  ток.

Отношения числа витков первичной  обмотки N₁ к числу витков вторичной обмотки N₂ называется коэффициентом трансформации трансформатора n, и если не учитывать различные потери, то справедливо выражение:

n = N₁/N₂ = U₁/U₂ = I₂/I₁

где U₁, U₂ - напряжение первичной и вторичной обмоток, В; I₁, I₂ - ток первичной и вторичной обмоток, А.

Выбор мощности сварочного трансформатора

Прежде чем приступить к расчету сварочного трансформатора, необходимо четко определиться - на какой величине сварочного тока его  предстоит эксплуатировать. Для  электросварки в бытовых целях  чаще всего используются покрытые электроды  диаметром 2, 3 и 4 мм. Из них наибольшее распространение получили, наверное, трехмиллиметровые электроды, как  наиболее универсальное решение, подходящие для сваривания как относительно тонкой стали, так и для металла  значительной толщины. Для сварки двухмиллиметровыми электродами выбирается ток порядка 70А; "тройка" чаще всего работает на токе 110-120А; для "четверки" потребуется  ток 140-150А.

Приступая к сборке трансформатора, разумным будет установить для себя предел выходного тока, и мотать обмотки под выбранную мощность. Хотя здесь можно ориентироваться  и на максимально возможную мощность для конкретного образца, учитывая, что от однофазной сети любой трансформатор  вряд ли способен развить ток выше 200А. При этом необходимо четко осознавать, что с увеличением мощности растет степень нагрева и износа трансформатора, необходимы более толстые и дорогие  провода, увеличивается вес, да и  не каждая электросеть может выдержать  аппетиты мощных сварочных аппаратов. Золотой серединой здесь может  быть мощность трансформатора, достаточная  для работы наиболее ходовым трехмиллиметровым  электродом, с выходным током 120-130А.

Потребляемая мощность сварочного трансформатора, и аппарата в целом, будет равна:

P = U_х.х. × I_св. × cos(φ) / η

где U_х.х. - напряжение холостого хода, I_св. - ток сварки, φ - угол сдвига фаз между током и напряжением. Так как сам трансформатор является индуктивной нагрузкой, то угол сдвига фаз всегда существует. В случае расчета потребляемой мощности cos(φ) можно принять равным 0,8. η - КПД. Для сварочного трансформатора КПД можно принять равным 0,7.

Стандартная методика расчета трансформатора

Эта методика применима для  расчета распространенных сварочных  трансформаторов с увеличенным  магнитным рассеянием, следующего устройства. Трансформатор изготовлен на основе П-образного магнитопровода. Его первичная и вторичная обмотки состоят из двух равных частей, которые расположены на противоположных плечах магнитопровода. Между собой половины обмоток соединены последовательно.

 
Устройство сварочного трансформатора

Для примера возьмемся  рассчитать с помощью этой методики данные для сварочного трансформатора рассчитанного на рабочий ток  вторичной катушки I₂=160А, с выходным напряжением холостого хода U₂=50В, сетевым напряжением U₁=220В, значение ПР (продолжительность работы) примем, скажем, 20% (про ПР см. ниже).

Введем параметр мощности, учитывающий продолжительность  работы трансформатора:

P_дл = U₂ × I₂ × (ПР/100)^1/2 × 0.001 
P_дл = 50 × 160 (20/100)^1/2 × 0.001 = 3,58 кВт

где ПР - коэффициент продолжительности работы, %. Коэффициент продолжительности работы показывает, сколько времени (в процентах) трансформатор работает в дуговом режиме (нагревается), остальное время он находится в режиме холостого хода (остывает). Для самодельных трансформаторов ПР можно считать равным 20-30%. Сам ПР в общем-то не влияет на выходной ток трансформатора, впрочем, как и соотношения витков трансформатора не слишком-то сказываются на параметре ПР у готового изделия. ПР в большей степени зависит от других факторов: сечения провода и плотности тока, изоляции и способа укладки провода, вентиляции. Однако с точки зрения приведенной методики считается, что для различных ПР более оптимальными будут несколько отличные соотношения между количеством витков катушек и площадью сечения магнитопровода, хотя, в любом случае, выходная мощность остается неизменной, рассчитанная на заданный ток I₂. Ничто не мешает принять ПР, скажем, 60% или все 100%, а эксплуатировать трансформатор на меньшем значении, как на практике обычно и происходит. Хотя, лучшее сочетание обмоточных данных и геометрии трансформатора обеспечивает выбор значения ПР пониже.

Для выбора числа витков обмоток трансформатора рекомендуется  пользоваться эмпирической зависимостью электродвижущей силы одного витка E (в вольтах на виток):

E = 0,55 + 0,095 × P_дл (P_дл в кВт) 
Е = 0,55 + 0,095 × 3,58 = 0,89 В/виток

Эта зависимость справедлива  для широкого диапазона мощностей, однако наибольшую сходимость результатов  дает в диапазоне 5-30 кВт.

Количество витков (сумма  обеих половин) первичной и вторичной  обмоток определяются соответственно:

N₁ = U₁/E; N₂ = U₂/E 
N₁ = 220/0,89 = 247; N₂ = 50/0,89 = 56

где U₁ - напряжение сети, В.

Номинальный ток первичной  обмотки в амперах:

I₁ = I₂ × k_m/n

где k_m=1.05-1.1 - коэффициент, учитывающий намагничивающий ток трансформатора; n = N₁/N₂ - коэффициент трансформации.

n = 247/56 = 4,4 
I₁ = 160 × 1,1/4,4 = 40 А

Сечение стали сердечника трансформатора (см²) определяется по формуле:

S = U₂ × 10000/(4.44 × f × N₂ × B_m) 
S = 50 × 10000/(4.44 × 50 × 56 × 1,5) = 27 см²

где f=50 Гц - промышленная частота  тока; B_m - индукция магнитного поля в сердечнике, Тл. Для трансформаторной стали индукция может быть принята B_m=1.5-1.7 Тл, рекомендуется принимать ближе к меньшему значению.

Конструктивные размеры  трансформатора приведены применительно  к стержневой конструкции магнитопровода. Геометрические параметры магнитопровода в миллиметрах:

• Ширина пластины стали из пакета магнитопровода 
  a=(S×100/(p₁×k_c))^1/2=(27×100/(2×0,95))^1/2=37,7 мм.
• Толщина пакета пластин плеча магнитопровода 
  b=a×p₁=37,7×2=75,4 мм.
• Ширина окна магнитопровода 
  c=b/p₂=75,4×1,2=90 мм.

где p₁=1.8-2.2; p₂=1.0-1.2. Измеряемая по линейным размерам сторон собранного трансформатора площадь сечения магнитопровода будет несколько больше рассчитанного значения, надо учитывать неизбежные зазоры между пластинами в наборе железа, и равняется:

S_из = S/k_c 
S_из = 27/0,95 = 28,4 см²

где k_c=0.95-0.97 - коэффициент заполнения стали.

Значение (a) подбирается  ближайшее из сортамента трансформаторной стали, конечное значение (b) корректируется с учетом ранее выбранного (a), ориентируясь на полученные значения S и S_из.

Высота магнитопровода методикой строго не устанавливается и выбирается исходя из размеров катушек с проводом, крепежных размеров, а также учитывается расстояние между катушками, которое выставляется при подстройке тока трансформатора. Размеры катушек определяются сечением провода, количеством витков и способом намотки.

Сварочный ток можно регулировать, перемещая секции первичной и вторичной обмоток относительно друг друга. Чем больше расстояние между первичной и вторичной обмотками, тем меньшим будет выходная мощность сварочного трансформатора.

Таким образом, для сварочного трансформатора со сварочным током 160А были получены значения основных параметров: суммарное количество витков первичных катушек N₁=247 витков и измеряемая площадь сечения магнитопровода S_из=28,4 см². Расчет с теми же исходными данными, кроме ПР=100% даст несколько иные соотношения S_из и N₁: 41,6 см² и 168 соответственно для того же тока 160А.

На что нужно обратить внимание, анализируя полученные результаты? Прежде всего, в этом случае соотношения  между S и N для определенного тока действительны только для сварочного трансформатора, изготовленного по схеме  с увеличенным магнитным рассеиванием. Если бы мы применили значения S и N, полученные для этого типа трансформатора, для другого трансформатора - построенного по схеме силового трансформатора (см. рисунок ниже), то выходной ток при тех же значениях S и N₁ значительно возрос бы, предположительно в 1,4-1,5 раза или пришлось бы примерно во столько же раз увеличить количество витков первичной катушки N₁ для сохранения заданной величины тока.

 
Схема силового трансформатора: 1 - первичная  обмотка, 2 - вторичная обмотка.

Сварочные трансформаторы, у которых секции вторичной катушки  намотаны поверх первичной, получили значительное распространение при самостоятельном  изготовлении сварочных аппаратов. Магнитный поток у них более  сконцентрирован и энергия передается более рационально, хотя это приводит к ухудшению сварочных характеристик, которые однако, можно выправить дросселем или балластным сопротивлением.

Упрощенный расчет сварочного трансформатора

Неприемлемость во многих случаях стандартных методик  расчета заключается в том, что  они устанавливают для конкретной мощности трансформатора только единые значения таких основных параметров, как измеренная площадь сечения  магнитопровода (S_из) и количество витков первичной обмотки (N₁), хотя последние и считаются оптимальными. Выше было получено сечение магнитопровода для тока 160А, равное 28 см². На самом деле сечение магнитопровода для той же мощности может варьироваться в значительных пределах - 25-60 см² и даже выше, без особой потери в качестве работы сварочного трансформатора. При этом под каждое произвольно взятое сечение необходимо рассчитать количество витков, прежде всего первичной обмотки, таким образом, чтобы получить на выходе заданную мощность. Зависимость между соотношением S и N₁ близка к обратно пропорциональной: чем больше площадь сечения магнитопровода (S), тем меньше понадобиться витков обеих катушек.