Розрахунок зварювального трансформатора: для напівавтомата, тороїдального, інвертора – обмотка, потужність, перетин сердечника, кількість витків на вольт

Всіляких схем зварювальних агрегатів від найпростіших і до інверторів існує безліч. Для створення саморобного зварювального апарату краще вибрати просту і високонадійну схему, яка не містить складної і дорогої електроніки. Але в будь-якому випадку, крім схеми, потрібно попередній розрахунок зварювального трансформатора. Тільки після цього можна приступати до його практичного виготовлення.

Схема зварювального трансформатора.

Специфіка розрахунку таких трансформаторів полягає в тому, що параметри їх компонентів в більшості випадків підбираються відповідно до вже наявними деталями – найчастіше з даними муздрамтеатру. Тому стандартні методи розрахунку, які розроблені для промислового трансформатора, для саморобного сварочніка не завжди застосовні. Особливо яскраво це проявляється при виході того чи іншого параметра за стандартні межі.

Основні характеристики і структура зварювального трансформатора

Вибір максимального значення зварювального струму

Таблиця 1. Характеристики зварювальних трансформаторів.

Перш за все, слід визначитися, на яку максимальну значення зварювального струму буде розраховуватися трансформатор. Взаємозв’язок між товщиною зварюються, діаметром електродів і зварювальним струмом показана в таблиці 1. З огляду на, що використовуючи однофазний трансформатор, отримати струм більше 200 А практично нереально, домашньому майстрові доводиться обмежуватися електродами діаметром не більше 4 мм. Найчастіше 3 мм.

Слід встановити найбільш підходящий верхня межа зварювального струму і намотувати обмотки під відповідну йому потужність. При цьому слід чітко розуміти, що з її ростом зростають вага сердечника, перетин і вартість дроти. Крім того, більш потужний трансформатор сильніше гріється і швидше зношується. Та й не кожна мережа витримає таке навантаження. Золота середина – апарат з вихідним струмом 110-120 А.

Інші робочі характеристики

Трифазний стрижневий трансформатор.

Максимальна величина вихідного струму – головна характеристика будь-якого сварочніка, але поряд з нею слід визначитися і з іншими важливими параметрами:

  1. Діапазон регулювання величини вихідного струму. У саморобних апаратах зазвичай створюється ряд ступенів – від 50 А до верхньої межі.
  2. Напруга холостого ходу. Чим воно вище, тим легше запалити дугу. З міркувань безпеки не повинно перевищувати 80 В.
  3. Номінальна вихідна напруга, яке необхідно для стійкого горіння дуги. Для зварювання тонких металів це напруга повинна бути нижчим і навпаки.
  4. Потужність – споживана і вихідна. Чим менше їх різниця, тим вище ККД виготовленого трансформатора, тим він кращий.
  5. Номінальний робочий режим характеризує тривалість безперервної роботи. Для зварювального трансформатора власного виготовлення він не перевищує 20-30%. Номінальний режим 20% означає, що з 10 хвилин робочого часу можна варити 2 хвилини, а решта 8 трансформатор повинен охолоджуватися на холостому ходу.

Пристрій сердечника трансформатора

Залежно від форми муздрамтеатру розрізняють такі різновиди трансформаторів:

  • стрижневі;
  • броньові;
  • тороїдальні.

Основні поняття і класифікація трансформаторів.

На стержневом трансформаторі обмотки оточують стрижні сердечника. На броньовий, навпаки, муздрамтеатр частково охоплює обмотки. У тороідальному обмотки розподіляються по магнітопровода рівномірно.

Броньові і стрижневі сердечники виготовляються з окремих тонких, ізольованих один від одного пластин. Матеріал – трансформаторна сталь. Тороїдальні намотуються у вигляді рулону з стрічки, виготовленої з тієї ж трансформаторної сталі.

Найважливішою характеристикою будь-якого сердечника є площа його поперечного перерізу. Саме від неї в дуже великій мірі залежить потужність трансформатора. У стрижневого муздрамтеатру під площею його поперечного перерізу розуміють площу будь-якого зі стрижнів, а у тороїдального – тора. У броньового – це площа перетину його середнього стрижня.

ККД трансформаторів стрижневого типу вище, ніж броньових. Крім того, у них кращі умови охолодження обмоток і, отже, допустимі щільності струму в обмотках. Тому зварювальні трансформатори, як правило, бувають стрижневими. Але все частіше для його виготовлення намагаються застосувати тороидальний сердечник. Справа в тому, що маса і габарити такого сварочніка майже в півтора рази менше, ніж стрижневого при інших рівних параметрах. Але тут виникають труднощі з його намотуванням.

Розрахунок зварювального трансформатора

Схема намотування зварювального трансформатора.

Оскільки при самостійному виготовленні сварочніка доводиться задовольнятися наявними в розпорядженні магнитопроводами, виробляти строгий розрахунок не має сенсу. Найчастіше достовірно невідомі магнітні властивості та інші характеристики трансформаторної сталі. Однією магнітної проникності, яку неважко визначити експериментально, для точного розрахунку недостатньо. Тому раціональніше обмежитися приблизними розрахунком.

Спочатку проводиться оцінка потрібної електричної потужності. Основне мірило тут – максимальна величина зварювального струму, яка, в свою чергу, визначається найбільшим діаметром електрода (див. Таблицю 1). Електрична потужність сварочніка:

Р = Uд * Iм,

де Uд – напруга горіння дуги (зазвичай береться значення 25 В), Iм – максимальний зварювальний струм. Наприклад, для трансформатора, розрахованого на струм до 150 А, електрична потужність повинна становити:

Р = 25 В * 150 А = 3750 Вт.

Габаритна потужність трансформатора, що залежить від параметрів муздрамтеатру, повинна бути обов’язково більше електричної. Саме габаритну потужність здатний «потягнути» сердечник. При розрахунках в якості вихідної найчастіше використовується наступна формула, що зв’язує габаритну потужність з розмірами сердечника:

Sпро* Sз = 100 * Рг / (2,22 * Вз * J * f * kпро* kc) (Див4),

Схема трансформатора з первинної та вторинної обмоткою.

де Sпро – площа вікна сердечника, Sз – площа його поперечного перерізу, Рг – габаритна потужність, Вз – магнітна індукція поля в осерді, j – щільність струму в проводах обмоток, f – частота змінного струму, kпро- коефіцієнт заповнення вікна, kc- коефіцієнт заповнення сердечника.

Sпро і Sз знаходять прямими вимірами габаритів сердечника. Наприклад, для стрижневого муздрамтеатру (див. Рис. 2) Sпро= H * l, Sз= А * b. З достатньою для практичного розрахунку точністю можна вважати, що:

  • Вз = 1,42 Тл;
  • kпро= 0,33 для проведення круглого і 0,4 – прямокутного перетину;
  • kc = 0,95;
  • частота змінного струму в мережі – 50 Гц;
  • для саморобного трансформатора з номінальним робочим режимом 20%, допустима щільність струму в мідних обмотках – 8 А / мм2,в алюмінієвих – 5 А / мм2,в комбінованих мідно-алюмінієвих – 6,5 А / мм2.

Якщо підставити в формулу всі ці значення, виходить формула, що зв’язує між собою Sпро, Sз і Рг:

Рг = K * Sпро* Sз,

де k – коефіцієнт, значення якого залежить від форми сердечника і матеріалу обмоток. Виглядає вона наступним чином:

  • якщо обидві обмотки мідні – для тороїдального трансформатора k = 2,76, для стрижневого – 2,47;
  • якщо мідно-алюмінієві – для тороїдального k = 2,24, для стрижневого – 2;
  • якщо обидві алюмінієві – для тороїдального k = 1,72, для стрижневого – 1,54.

Користуючись останньою формулою, можна легко оцінити «потягне» чи наявний сердечник задані параметри. Якщо так, залишається розрахувати число витків в кожній з обмоток. Для первинної адаптована формула виглядає наступним чином:

N1 = 40 * U1 / Sз,

де U1 – напруга на ній (В).

Тороїдальний трансформатор.

Для вторинної котушки з урахуванням ККД трансформатора формула придбає такий вигляд:

N2 = 42 * U2 / Sз,

де U2 – напруга вторинної обмотки (У). Число витків у вторинній обмотці можна знайти і експериментально – намотати поверх первинної обмотки кілька (краще 10) витків, виміряти на них напруга, а потім перерахувати – скільки витків потрібно для забезпечення необхідного вихідного напруги.

Площа поперечного перерізу проводу в обмотках можна розрахувати за формулою:

S = I / j,

де I – значення сили струму в обмотці, j – допустима щільність струму в ній.

Приклад розрахунку зварювального трансформатора

Як приклад розглянемо розрахунок і виготовлення сварочніка, виготовленого з статора асинхронного трифазного електродвигуна. Видаливши дроти обмоток з пазів статора і вийнявши його з корпусу електродвигуна, отримуємо непоганий тороидальний сердечник – основу майбутнього зварювального трансформатора.

Виступи пазів іноді зрубують гострим зубилом, що дозволяє зменшити вагу сердечника. Але на електричні параметри трансформатора вони практично не впливають, тому в більшості випадків їх не чіпають. Вид на сердечник з торця показаний на рис. 3а, збоку – на 3б, намотаний трансформатор – на 3в.

Схема розрахунку зварювального трансформатора.

Задамося метою виготовити трансформатор, розрахований на максимальний зварювальний струм 150 А і напруга 60 В. Його електрична потужність дорівнює:

Р = 150 А * 60 В = 9000 Вт.

Зробимо оцінку габаритної потужності муздрамтеатру. Діаметр вікна дорівнює 12 см (див. Рис. 3а), а його площа:

Sпро= Π * d2/ 4 = 3,14 * 144/4 (див2) ≈ 113 см2.

Площа поперечного перерізу сердечника:

Sз= H * Н = 1,74 см * 20 см ≈ 35 см2

Габаритна потужність сердечника:

Рг = 2,76 * 113 * 35 (Вт) ≈ 10916 Вт.

оскільки Рг > Р – муздрамтеатр підходить для виготовлення трансформатора з необхідними параметрами.

Переходимо до розрахунку обмоток. Починаємо з числа витків. Для первинної обмотки воно дорівнює:

N1 = 40 * 220/35 = 251 виток.

Кількість витків для вторинної обмотки:

N2 = 42 * 60/35 = 72 витка.

Максимальний струм у вторинній обмотці 150 А. Тоді площа поперечного перерізу провідника, яким вона намотується, повинна дорівнювати:

S2 = 150 А / (8 А / мм2) ≈ 19 мм2.

З визначення коефіцієнта трансформації струм у первинній обмотці:

I1= I2 * N2 / N1 = 150 А * 72/251 (А) ≈ 43 А.

Площа поперечного перерізу проводу, яким вона намотана:

S1 = 43 А / (8 А / мм2) ≈ 5,4 мм2.

Таким чином, можна стверджувати, що запропонована методика розрахунку зварювального трансформатора, дозволяє здійснити його практично для будь-якого сердечника, який опинився в розпорядженні домашнього майстра.

Ссылка на основную публикацию