Расчет сварочного трансформатора

Самой важной частью сварочного трансформатора является магнитопровод. Во многих случаях для самоделок используются магнитопроводы от старого электрооборудования, которое до того ничего общего со сваркой не имело: всевозможные крупные трансформаторы, автотрансформаторы (ЛАТРы), электродвигатели. Часто эти магнитопроводы обладают весьма экзотической конфигурацией, а их геометрические параметры невозможно изменить. И сварочный трансформатор приходится рассчитывать под то, что есть, - нестандартный магнитопровод, используя нестандартную методику расчета.

Наиболее важными при  расчете параметрами, от которых  зависит мощность, являются площадь  сечения магнитопровода, количество витков первичной обмотки и расположение на магнитопроводе первичной и вторичной обмоток трансформатора. Сечение магнитопровода в данном случае измеряется по наружным размерам сжатого пакета пластин, без учета потерь на зазоры между пластинами, и выражается в см². При напряжении питания сети 220-240В, с незначительным сопротивлением в линии, можно рекомендовать следующие формулы приближенного расчета витков первичной обмотки, которые дают положительные результаты для токов 120-180А для многих типов сварочных трансформаторов. Ниже приведены формулы для двух крайних вариантов расположения обмоток.

Для трансформаторов с  обмотками на одном плече (рисунок  ниже, а): 
N₁ = 7440 × U₁/(S_из × I₂) 
Для трансформаторов с разнесенными обмотками (рисунок ниже, б): 
N₁ = 4960 × U₁/(S_из × I₂)

 
Трансформаторы с обмотками на одном плече и с разнесенными обмотками

где N₁ - примерное количество витков первичной обмотки, S_из - измеренное сечение магнитопровода (см²), I₂ - заданный сварочный ток вторичной обмотки (А), U₁ - сетевое напряжение.

При этом надо учитывать, что  для трансформатора с разнесенными по разным плечам первичной и вторичной  обмотками вряд ли удастся получить ток более 140А - сказывается сильное  рассеивание магнитного поля. Нельзя также ориентироваться на ток  выше 200А для остальных типов  трансформаторов. Формулы носят  весьма приближенный характер. Некоторые трансформаторы с особенно несовершенными магнитопроводами дают значительно более низкие показатели выходного тока. Кроме того, существует много таких параметров, которые нельзя определить и учесть в полной мере. Обычно неизвестно, из какого сорта железа изготовлен тот или иной, снятый со старого оборудования магнитопровод. Напряжение в электросети может сильно изменяться (190-250В). Еще хуже, если линия электропередачи обладает значительным собственным сопротивлением, составляя всего единицы Ома, оно практически не влияет на показания вольтметра, обладающего большим внутренним сопротивлением, но может сильно гасить мощность сварки. Учитывая все вышеизложенное, рекомендуется первичную обмотку трансформатора выполнять с несколькими отводами через 20-40 витков.

 
Отводы первичной обмотки трансформатора

В этом случае всегда более  точно можно будет подобрать  мощность трансформатора или подрегулировать  ее под напряжение конкретной сети. Количество витков вторичной обмотки  определяется из соотношения (кроме "ушастика", например из двух ЛАТРов):

N₂ = 0,95 × N₁ × U₂/U₁

где U₂ - желаемое напряжение холостого хода на выходе вторичной обмотки (45-60В), U₁ - напряжение сети.

Выбор сечения  магнитопровода

Теперь мы знаем, как можно  рассчитать витки катушек сварочного трансформатора под определенное сечение  магнитопровода. Но остается вопрос - каким именно выбрать это сечение, особенно если конструкция магнитопровода позволяет варьировать его значение?

Оптимальное значение сечения  магнитопрвода для типичного сварочного трансформатора было получено в примере расчета по стандартной методике (160А, 26 см²). Однако далеко не всегда оптимальные с точки зрения энергетических показателей значения являются таковыми, а то и возможными вообще, с точки зрения конструктивных и экономических соображений.

Например, трансформатор  одной и той же мощности может  иметь сечения магнитопровода с разницей в два раза: скажем 30-60 см². При этом количество витков обмоток будет различаться тоже примерно в два раза: для 30 см² придется мотать в два раза больше провода, чем для 60 см². Если у магнитопровода небольшое окно, то вы рискуете тем, что все витки попросту не влезут в его объем или придется использовать очень тонкий провод - в этом случае необходимо увеличить сечение магнитопровода с целью уменьшения количества витков провода (актуально для многих самодельных трансформаторов). Вторая причина - экономическая. Если обмоточный провод в дефиците, то, учитывая его немалую стоимость, этот материал придется экономить по максимуму, если есть возможность, наращиваем магнитопровод до большего сечения. Но, с другой стороны, магнитопровод - самая тяжелая часть трансформатора. Лишняя площадь сечения магнитопровода - лишний и притом, весьма ощутимый вес. Проблема прибавки веса особенно сказывается тогда, когда трансформатор намотан алюминиевым проводом, вес которого намного меньше стали, а тем более меди. При больших запасах провода и достаточных размерах окна магнитопровода этот элемент конструкции имеет смысл выбирать потоньше. В любом случае не рекомендуется опускаться ниже значения 25 см², не желательны также сечения выше 60 см².

Подбор витков трансформатора опытным путем

В некоторых случаях о  выходной мощности трансформатора можно  судить по току первичной обмотки  в режиме холостого хода. Вернее, здесь можно говорить не о количественной оценке мощности в режиме сварки, а  о настройке трансформатора на максимальную мощность, на которую способна конкретная конструкция. Или же речь идет о контроле количества витков первичной обмотки, чтобы не допустить их недостатка в процессе изготовления. Для этого  понадобится некоторое оборудование: ЛАТР (лабораторный автотрансформатор), амперметр, вольтметр.

В общем случае по току холостого  тока нельзя судить о мощности: ток  может быть разным даже для одинаковых типов трансформаторов. Однако, исследовав зависимость тока в первичной  обмотке в режиме холостого хода, можно более уверенно судить о  свойствах трансформатора. Для этого  первичную обмотку трансформатора надо подключить через ЛАТР, что  позволит плавно менять напряжение на ней от 0 до 240В. В цепь также должен быть включен амперметр.

 
Схема для проверки сварочного трансформатора

Постепенно увеличивая напряжение на обмотке, можно получить зависимость  тока от питающего напряжения. Она  будет иметь следующий вид.

 
Зависимости тока в первичной обмотке  трансформатора от питающего напряжения, в режиме холостого хода.

Сначала кривая тока полого, почти линейно возрастает до небольшого значения, далее скорость возрастания  увеличивается - кривая загибается вверх, после чего следует стремительное  увеличение тока. В случае, когда  устремление кривой к бесконечности  происходит до напряжения 240В (кривая 1), то это значит, что первичная обмотка  содержит мало витков и ее необходимо домотать. Надо учитывать, что трансформатор, включенный на то же напряжение без ЛАТРа, будет брать ток примерно на 30% больше. Если же точка рабочего напряжения лежит на изгибе кривой, то при сварке трансформатор будет выдавать свою максимальную мощность (кривая 2). В случае кривых 3, 4 трансформатор будет иметь ресурс мощности, которую можно увеличить путем уменьшения витков первичной обмотки, и незначительный ток холостого хода: большинство самоделок ориентированы на это положение. Реально токи холостого хода различны для разных типов трансформаторов, в большинстве случаев находясь в интервале 100-500 мА. Не рекомендуется устанавливать ток холостого хода более 2А.

 

 

 

 

 

Расчет сварочного трансформатора

Принцип действия сварочного трансформатора состоит в том, что  его нагрузка непостоянна. Обычно считают, что доля времени работы под нагрузкой в цикле, состоящем из собственно сварки и паузы, не превышает 60%. Для бытовых сварочных трансформаторов нередко принимают еще меньшую величину — 20%, что позволяет без значительного ухудшения теплового режима увеличить плотность тока в обмотках трансформатора и уменьшить площадь окна его магни-топровода, необходимую для размещения обмоток. При сварочном токе до 150 А считают допустимой плотность тока в медной обмотке 8 А/мм², в алюминиевой — 5 А/мм² [5].

При заданной мощности габариты и масса сварочного трансформатора будут минимальны, если индукция в  его магнито-проводе достигает максимально-допустимого для выбранного материала значения. Но самодеятельный конструктор обычно не знает этой величины, так как имеет дело с электротехнической сталью неизвестной марки. Чтобы избежать неожиданностей, индукцию обычно занижают, что приводит к неоправданному увеличению размеров трансформатора.

Как определить магнитные  характеристики трансформаторной стали?

Воспользовавшись приводимой ниже методикой, можно определить магнитные  характеристики любой трансформаторной стали, имеющейся в распоряжении. Из этой стали собирают "экспериментальный" магнитопровод сечением 5...10 см² (произведение размеров а и b на рис. 8) и наматывают на один из его кернов 50... 100 витков мягкого изолированного провода сечением 1,5...2,5 мм². Для дальнейших расчетов необходимо найти по формуле l_ср = 2h + 2с + 3,14а среднюю длину магнитной силовой линии и измерить активное сопротивление обмотки r_о6м.

 

 

Расчет сварочного трансформатора

Далее по схеме, показанной на рис. 9, собирают испытательную установку. Т1 — лабораторный регулируемый автотрансформатор (ЛАТР); L1 - обмотка на "экспериментальном" магнитопроводе.

Габаритная мощность понижающего  трансформатора Т2 — не менее 63 ВА, коэффициент трансформации — 8...10.

Постепенно увеличивая напряжение, строят зависимость индукции в магнитопроводе В, Тл, от напряженности магнитного поля Н, А/м, подобную показанной на рис. 10. вычисляя эти величины по формулам:

где U и I — показания вольтметра PV1, В, и амперметра РА1, A: F — частота. Гц; S — площадь сечения "экспериментального" магнитопровода, см ; w -число витков его обмотки. Из полученного графика находят, как показано на рисунке, индукцию насыщения B_s, максимальную индукцию В_т и максимальную напряженность переменного магнитного поля H_m.

Для примера рассчитаем сварочный  трансформатор, предназначенный для  работы от сети переменного тока 220 В, 50 Гц, задавшись напряжением холостого хода U_хх=65 В и максимальным током сварки I_max=150 А. 

 

Габаритная мощность сварочного трансформатора

P_габ=U_xxI_max =65*150=9750 ВА.

По известной формуле  определяем произведение площади сечения  магнитопровода S_M на площадь его окна S_o:

где J — плотность тока в обмотках, А/мм²; k_с=0,95 — коэффициент заполнения сечения магнитопровода сталью; k₀=0,33...0,4 — коэффициент заполнения его окна медью (алюминием).

Предположим, В_m=1,42 Тл, первичная обмотка намотана медным проводом, вторичная — алюминиевым (берем среднее значение плотности тока J=6,5A/мм²):

S_MS₀=9750/(1,11*1,42*6,5*0,37*0,95)= = 2707 см⁴.

Для стержневых трансформаторов  рекомендованы [6] следующие соотношения  размеров (см. рис. 8): b/a=2; с/а=1,6; h/a=2,5...5. Выбрав h/a=4, вычислим размер a, см:

Приняв а=40 мм, найдем остальные размеры магнитопровода: b=2а=80мм; с=1,6а=32мм; h=4а=160мм.

ЭДС одного витка обмотки  трансформатора на таком магнитопроводе E_B=2,22*10⁴B_mabk_c=2,22*10^4*1,42*3200* *0,95 = 0,958 В. Число витков вторичной обмотки w₂=U_xx/E_B=65/0,958=68. Сечение провода вторичной обмотки S₂=I_max/J=150/5=30 мм² (J=5 А/мм², так как провод вторичной обмотки алюминиевый). Число витков первичной обмотки w₁=U₁/E_B=220/0,958=230. Максимальный ток первичной обмотки I_1max=I_max*w₂/w₁=150-68/230=44,35 А. Сечение медного провода первичной обмотки S₁=I_1M/J=44,35/8=5,54 мм².

Как первичную, так и вторичную  обмотки сварочного трансформатора стержневой конструкции обычно делят  на две одинаковые части, размещая их на двух кернах магнитопровода. Каждая из последовательно соединенных частей первичной обмотки — 115 витков провода диаметром не менее 2,65 мм. Если же части первичной катушки предполагают соединять параллельно, каждая должна содержать по 230 витков провода вдвое меньшего сечения — диаметром не менее 1,88 мм. Аналогичным образом делят на две части и вторичную обмотку.

Если обмотки выполняют  цилиндрическими, для получения  падающей нагрузочной характеристики трансформатора последовательно со вторичной следует включить резистор сопротивлением 0,2...0,4 Ом из нихромового провода диаметром не менее 3 мм. Для трансформатора с дисковыми обмотками этот резистор не потребуется. К сожалению, точный расчет индуктивности рассеяния такого трансформатора практически невозможен, так как она зависит даже от расположения близлежащих металлических предметов. На практике расчет ведут методом последовательных приближений с корректировкой моточных и конструктивных данных трансформатора по результатам испытаний изготовленных образцов. Подробную методику можно найти в [7].

В любительских условиях трудно изготовить сварочный трансформатор  с подвижными (для регулировки  тока) обмотками. Чтобы получить несколько  фиксированных значений тока, делают вторичную обмотку с отводами. Более точную регулировку (в сторону  уменьшения тока) производят, добавляя в цепь своеобразную катушку индуктивности  укладывая сварочный кабель в  бухту.

Прежде чем приступить к изготовлению рассчитанного трансформатора, целесообразно убедиться, что его  обмотки разместятся в окне магнитопро-вода с учетом необходимых технологических зазоров, толщины материала, из которого изготовлен каркас, и других факторов. Размеры с и h (см. рис. 8) необходимо "подогнать" таким образом, чтобы в каждом слое обмотки уложилось целое число витков выбранного провода, а число слоев также было целым или немного меньшим ближайшего целого. Следует предусмотреть место для меж-слойной и межобмоточной изоляции.

Наиболее удачный вариант  не всегда получают с первой попытки, зачастую приходится неоднократно и  довольно существенно корректировать ширину и высоту окна магнитопровода. Проектируя цилиндрические обмотки, необходимо оптимальным образом выбрать размеры их секций. Обычно для вторичной обмотки, намотанной толстым проводом, отводят больше места, чем для первичной.

Эскиз конструкции сварочног трансформатора на два значения сварочного тока 120 и 150 А показан на рис. 11, а схема его включения на рис. 12. Меньшему току соответствует большее число витков вторичной обмотки. Это не ошибка. Известно, что напряжение обмотки пропорционально числу ее витков, а индуктивность рассеивания растет пропорционально квадрату их числа. В результате ток уменьшается.