Расчет обмоток сварочного трансформатора

Сайт для электриков

Современные сварочные аппараты в рубрике сварочное оборудование.

Рассчитаем маломощный сварочный трансформатор, предназначенный для работы от сети переменного тока 220 В, 50 Гц и обеспечивающий максимальный сварочный ток I_м = 150 А.
Расчет сварочного трансформатора
Максимальное напряжение дуги, соответствующее максимальному сварочному току, можно рассчитать по формуле:

U_дм = 20 + 0,04 × I_м = 20 + 0,04 × 150 = 26 В

Напряжение холостого хода U_хх (напряжение на вторичной обмотке ненагруженного трансформатора) должно быть в 1,8—2,5 больше максимального напряжения дуги, т.е.

При повышении U_хх улучшается устойчивость и начальное зажигание дуги. Однако ГОСТ95-77Е ограничивает максимальное действующее напряжение на уровне 80 В. Выберем напряжение холостого хода U_хх = 65 В, что обеспечит наилучшие условия горения дуги и не противоречит требованиям ГОСТ.

Для дальнейших расчетов, допустим, что наш магнитный материал имеет максимальную индукцию В_m = 1,42 Тл. Найдем габаритную мощность сварочного трансформатора Р_г:

По общеизвестной формуле определяем:

где J — плотность тока в обмотках (8 А/мм² для меди (Cu), 5 А/мм² для алюминия (Al) и 6,5 А/мм² для комбинированной медно-алюминиевой (CuAl) обмотки);
F – частота сети, Гц;
К_о — коэффициент заполнения окна (0,33—0,4);
К_с — коэффициент заполнения стали (0,95).

Пусть первичная обмотка выполняется медным проводом, а вторичная — алюминиевым, тогда:

S_оS_с = (100 × 9750)/(2,22 × 1,42 × 6,5 × 50 × 0,33 × 0,95) = 3035 см 4 ,

Для стержневых трансформаторов рекомендуются следующие соотношения размеров:

X = 1,6; Y = 2; Z = 2,5 – 5,

где X = c/a, Y = b/a, Z = h/a.
Если Z = 4, то S_оS_с = a 4 × 12,8
Отсюда можно найти размер a сердечника, см:

Выбираем a = 4 см. Зная размер а, найдем размеры c, Ь, h:

с = a × X = 4 × 1,6 = 6,4 см;
b = a × Y = 4 × 2 = 8 см;
h = a × Z = 4 × 4 = 16 см.

Определим ЭДС одного витка трансформатора:

E_в = 4,44 × 10 -4 × В_m × F × S_с × К_с =
= 4,44 × 10 -4 × 1,42 × 50 × 32 × 0,95 = 0,958 В / вит.

Количество витков вторичной обмотки:

Сечение алюминиевого провода вторичной обмотки:

S₂ = I_м / J_Al= 150 / 5 = 30 мм² (можно использовать алюминиевую шину сечением 5×6 мм²).

Количество витков первичной обмотки:

Найдем максимальный ток первичной обмотки:

Сечение медного провода первичной обмотки:

если катушки включаются параллельно, то они должны содержать по 230 витков провода ПЭВ-2 Ø 1,9 мм (2,827 мм²);

если катушки включаются последовательно, то они должны содержать по 115 витков провода ПЭВ-2 Ø 2,7 мм (5,7 мм²).

Расчет сварочного трансформатора для самостоятельной сборки

Соединение металлических деталей электрической дугой известно уже более 120 лет, но немногие знают все тонкости этого процесса, что очень важно для того, чтобы сделать расчет сварочного трансформатора для простейшего аппарата и полуавтомата.

1 На чем базируется расчет сварочного трансформатора?

Прежде, чем разбираться в формулах, давайте рассмотрим принцип действия простейшего аппарата для дуговой сварки. Основой такого агрегата является понижающий трансформатор, позволяющий изменить входящее напряжение, соответствующее в быту 220 В, на более низкое, до 60 В для так называемого холостого хода или, иначе, состояния покоя. То, какие виды электродов можно будет использовать с устройством, зависит от силы тока, которая должна быть в пределах 120-130 А для наиболее популярного трехмиллиметрового диаметра расходного материала.

И вот здесь как раз требуются расчеты, поскольку, если стержень электрода плавится при определенной силе тока, значит, она будет в той же степени нагревать и сердечник трансформатора, а также проволоку обмотки. Следовательно, для того, чтобы узнать оптимальную мощность трансформатора, нам нужно сначала вычислить рабочее напряжение, ориентируясь на рабочую силу тока. Для этого существует формула U₂ = 20 + 0,04I₂, где U₂ – напряжение на вторичной обмотке, а I₂ – выдаваемый аппаратом максимальный сварочный ток.

Теперь вернемся к сердечнику, который не зря так называется, поскольку является сердцем трансформатора, как самого простого, так и полуавтомата. Он составляется из металлических пластин, которые способны выдержать определенную нагрузку по мощности тока. Это допустимое значение зависит от размеров сердечника и называется габаритной мощностью, которую можно найти, зная значение напряжения холостого хода. Последнее высчитывается по формуле U_хх = U₂S, где S – площадь сечения провода вторичной обмотки. Зависимость этой площади от диаметра проводника определяем по формуле S = πd 2 /4, или по следующим таблицам:

Допустимые токовые нагрузки на провода с медными жилами

Допустимые токовые нагрузки на провода с алюминиевыми жилами

2 Расчет для сварочного трансформатора по формулам и онлайн

Итак, у нас есть все необходимые параметры для того, чтобы вычислить габаритную мощность сердечника. Далее работаем по формуле P_габ = U_ххI₂cos(φ)/η, где φ – угол смещения фаз между напряжением и током (можно принять величину 0.8), а η – КПД (принимаем 0.7). Остается найти допустимую мощность, которую выдержит аппарат при длительной работе. При этом учитываем, что коэффициент продолжительности работы (обозначим его ПР) составляет около 20 % от времени подключения трансформатора к сети.

Поэтому считаем следующим образом: P_дл = U₂I₂(ПР/100) 0.5 0.001, или, иначе P_дл = U₂I₂(20/100) 0.5 0.001, что соответствует P_дл = U₂I₂0.00045. В целом продолжительность работы и сила сварочного тока практически не связаны. В большей степени на время дугового режима влияет сечение проволоки обмотки и качество изоляции, а также то, насколько плотно и, главное, ровно, уложены витки. Следовательно, теперь мы можем узнать электродвижущую силу одного витка в вольтах, используя формулу E = P_дл0.095 + 0.55.

Далее, получив результат эмпирической зависимости по последней формуле, высчитываем оптимальное количество витков для обмотки, как первичной, так и вторичной. Для той и другой используем две формулы, соответственно N₁ = U₁/E, где U1 – входящее напряжение сети, а N₂ = U₂/E. Сила сварочного тока регулируется увеличением или уменьшением расстояния между первичной и вторичной обмотками: чем оно больше, тем ниже мощность на выходе. Тем, кто делает приведенный расчет с целью самостоятельной сборки трансформатора, а не для приобретения готового сварочного полуавтомата, понадобится еще и вычисление габаритов сердечника.

Читать еще: Сварочные изделия для дома

Площадь сечения металла определяется по формуле S = U₂10000/(4.44fN₂B_m), где f – промышленная частота тока (принимаем за 50 Гц), B_m – индукция магнитного поля (принимаем за 1.5 Тл). Теперь можно узнать ширину стальной пластины в пакете трансформатора: a = (100S /(p₁k_c)) 0.5 , где за p₁ принимаем диапазон значений 1.8-2.2 (рекомендуется среднее), k_с – коэффициент заполнения стали (соответствует 0.95-0.97).

Исходя из значения ширины пластины, выясняем толщину пакета пластин плеча, для чего используем формулу b = ap₁, а затем и ширину окна магнитопровода c = b/p₂, где p₂ имеет диапазон значений 1–1.2 (рекомендуется максимальное). К слову, если уж мы взялись измерять габариты, вспомним про коэффициент заполнения стали, который обозначает промежутки между пластинами. С учетом этого показателя площадь сечения сердечника будет несколько иной, поэтому назовем ее измеряемой величиной и определим заново. Формула для этого потребуется следующая: S_из = S/k_c. В большинстве случаев эти расчеты не нужны при наличии онлайн-калькулятора.

3 Как сделать расчет самодельного тороидального сварочного трансформатора?

По сути, тор – это объемное геометрическое тело, хотя в математике бытует понятие “поверхность”. То есть это даже не фигура, а замкнутая поверхность, имеющая одну общую для любой размещенной на ней точки сторону. Но, если не вдаваться в дебри терминологии, тор – это бублик, или окружность, вращающаяся вокруг некой не пересекающей ее оси, с которой располагается в одной плоскости. Именно в форме такого бублика может быть выполнен трансформатор-тороид.

Основная его характеристика – высокий КПД при небольших, в сравнении с другими типами сердечников, размерах. Что и является основополагающим критерием для предпочтения данной формы самодельных трансформаторов. Основное отличие тороидального трансформатора от прочих – прокладка только межобмоточной изоляции наряду с внешней. Межслоевая не делается по той простой причине, что витки провода, проходя сквозь отверстие тора, создают дополнительную толщину внутреннего диаметра, что исключает использование лишних слоев изоляции.

Именно это значительно усложняет сборку тороида, и потому он редко устанавливается в корпусе полуавтомата, где чаще можно увидеть стержневые сердечники. Чтобы не возникали пробивания, применяются провода с повышенной прочностью изоляционного покрова. В качестве прокладки можно взять лавсан или ленту ФУМ (фторопластовую).

Для определения габаритной мощности сердечника, выполненного в виде тора, нам достаточно узнать две площади: окна и сечения.

Первую вычисляем по формуле S_окна = 3.14(d 2 /4), где d – внутренний диаметр тора. Вторая формула выглядит следующим образом: S_сеч = h((D-d)/2), здесь D – внешний диаметр “бублика”. Далее остается только рассчитать габаритную мощность трансформатора, для чего используем простейший способ умножения двух получившихся ранее результатов. Иными словами, P_габ[Вт] = S_окна[кв.см] * S_сеч[кв.см]. Дальнейшие вычисления ориентируем согласно таблице:

Проведение расчета сварочного трансформатора

Расчет сварочного трансформатора в быту производится в том случае, когда требуется самостоятельно его изготовить. Такая необходимость возникает обычно тогда, когда стандартный сварочный аппарат не отвечает требованиям проведения сварочных работ или же когда нужно сэкономить денежные средства при его покупке.

Для самостоятельного изготовления сварочного аппарата требуется произвести расчет его трансформатора.

Расчет самодельных сварочных трансформаторов имеет свои тонкости. Дело в том, что подобный аппарат обычно не отвечает рекомендованным стандартизированным методам, и для него неприменимы распространенные методы, используемые для расчета трансформаторов, применяемых в промышленности. Подобные устройства изготовляются из разного рода подручных материалов далеко не лучшего качества. В результате они могут перегреваться, вибрировать, что сопровождается выделением большого количества тепловой энергии.

Расчет сварочного трансформатора зависит от места его эксплуатации и выполняемых функций.

Кроме того, рассчитывая трансформатор самостоятельно можно применять стандартные методы, но они в обязательном порядке должны корректироваться с учетом нестандартных параметров устройства и требований по его эксплуатации.

Расчет сварочного трансформатора в быту стоит начинать с определения его функций. Так, например, сварочный аппарат, эксплуатируемый в снт, не будет испытывать серьезных нагрузок. Поэтому его можно спроектировать с трансформатором небольшой мощности. А вот если мастеру понадобиться прибор для работы в малом бизнесе, имеет смысл заложить в него дополнительную мощность и помехозащищенность.

Виды и типы трансформаторов для сварки

Трансформаторы для сварочных аппаратов бывают следующих видов:

Данное разделение устройств основывается на форме сердечника прибора. При этом стержневые трансформаторы имеют значительно более высокий коэффициент полезного действия, чем броневые. При этом они допускают повышенные уровни плотности токов в обмотках, что увеличивает КПД прибора.

Классификация сварочных трансформаторов.

Трансформаторы различаются в зависимости от вида используемой в них обмотки. На сегодня известны следующие виды таких приборов:

с цилиндрической;
дисковой;
подвижной обмоткой.

В приборах с цилиндрическим видом обмотки одна обмотка наматывается на другую. В результате магнитный поток первичной обмотки зацепляется с витками вторичной обмотки. Подобный аппарат характеризуется жестко установленной вольтамперной характеристикой и не рекомендуется для использования при производстве ручной сварки. Кроме того, для его корректной работы необходимо наличие балластного реостата или дросселя.

Для дисковых электротрансформаторов характерно высокоразвитое рассеяние электромагнитного поля. В результате точный расчет их индуктивности рассеяния магнитного потока невозможен. Приходится в этом случае использовать метод последовательных приближений с поправкой на данные, полученные с примерного образца.

Конструкция трансформаторного прибора с подвижными обмотками более гибкая и позволяет «подстроить» прибор под определенные условия эксплуатации. Однако подобные устройства теряют много мощности, соответственно, могут дать заниженные показатели тока.

Выбор мощности сварочного трансформатора

Если первичная (1) и вторичная (2) обмотки трансформатора разнесены на разные плечи, то трансформатор теряет много мощности и может не дать ожидаемый ток.

Мощность трансформатора – один из основных его показателей. Именно от этого показателя зависят характеристики устройства, условия эксплуатации и качество проводимых сварных работ. Перед тем, как приступать к расчету данного показателя, необходимо определится, при какой величине сварочного тока планируется эксплуатировать самодельный сварной аппарат.

Читать еще: Рейтинг детекторов скрытой проводки

Данный параметр можно получить, зная вид электродов для сварки. Так обычно в быту применяют электроды стандартным диаметром 2, 3 и 4 миллиметра. Трехмиллиметровые электроды более всего распространены в быту. Именно на них и стоит ориентироваться при изготовлении сварочного аппарата самостоятельно. Работают электроды-«тройки» на токе мощностью 110-120А. «Двойки» используют 70 ампер, а «четверки» 140-150А.

Используя данные значения, можно рассчитать мощность трансформатора для сварочного аппарата достаточно легко. Для этого может быть использована программа для упрощенного расчета. С ее помощью можно произвести расчет, даже не имея особых познаний в электротехники.

Если человек хорошо разбирается в электротехнике, то ему будет под силу произвести расчет самостоятельно. Для этого ему потребуется формула: P = Uх.х. × Iсв. × cos(φ) / η. В ней Uх.х. – напряжение холостого хода, Iсв. – ток сварки, φ – угол сдвига фаз между током и уровнем напряжения.

Производя подобные расчеты, нужно помнить о том, что КПД сварочного преобразователя тока в норме составляет 0,7. Таким образом, не стоит проектировать большую нагрузку на него и превышать названный показатель, так как в этом случае устройство начнет интенсивно греться и быстро выйдет из строя.

Применяемые методики расчета мощности оборудования

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

Стандартизированная методика расчета сварного трансформатора ориентирована на приборы, созданные с применением П-образного магнитопровода. У него первичная и вторичная обмотки, смонтированные из пары равновеликих частей, размещенных на противоположных сторонах магнитного провода. Данные половинки обмоток соединяются между собой последовательным способом.
Используя стандартную методику расчета, можно получить количество витков обмотки катушки, конструктивные габариты трансформатора, высоту магнитопровода. Кроме того, на основании данных расчетов подбирается вид провода по диаметру сечения, а также материалу, из которого он изготовлен.

Сама методика расчета трансформатора приведена в специальной литературе, однако в том случае, когда человек не является профессиональным электротехником, то ему следует использовать упрощенную схему расчета.

Проведение упрощенного расчета

Выбирая сечение магнитопровода, необходимо учитывать размер окна, рассчитанное количество витков могут не поместиться в него.

Расчитать сварочный трансформатор по упрощенной схеме имеет смысл потому, что в подавляющем количестве случаев для определения конкретной мощности данного аппарата стандартные методики формируют единые и общие значения основных параметров, не учитывающие индивидуальные особенности того или иного аппарата. К ним относят:

измеренную площадь сечения магнитопровода (Sиз);
количество витков первичной обмотки (N1).

Именно эти показания являются основными при расчете. В самодельном же трансформаторе их весьма сложно предсказать по стандартной методике, так как используемые при сборе такого устройства материалы и запасные части зачастую бывают далеко не лучшего качества. В результате расчет нельзя сделать стандартными методами и приходится его проводить исключительно под конкретные условия эксплуатации того или иного аппарата.

Расчет сварочного трансформатора должен учитывать параметры и характеристики такой важной детали этого устройства как магнитопровод.

Дело в том, что рассчитанное сечение магнитопровода для электротока равного 160А равно 28 кв. см, в реальности этот параметр может составлять 25-60 кв.см.

Если ваш трансформатор будет работать при напряжении электросети 220-240В, стоит воспользоваться формулами расчета, дающими положительные результаты для токов 120-180А.

2 самых распространенных варианта расчета:

Для преобразователя электротока с обмотками на одном плече: N1 = 7440 × U1/(Sиз × I2).
Для электротрансформаторов с разнесенными обмотками: N1 = 4960 × U1/(Sиз × I2).

Здесь N1 – это примерная величина количества витков первичной обмотки, Sиз – определенное сечение магнитопровода (кв. см), I2 – заданный постоянный ток для вторичной обмотки (А), U1 – постоянное напряжение сети.

Подбор сечения магнитопровода

Выбор сечения магнитопровода лучше всего производить, наоборот, по общераспространенной методике на 160А, 26 кв. см. При этом стоит помнить о том, что трансформатор одинаковой мощности может иметь названный показатель, отличающийся на 2 порядка, например, он может составлять 30-60 кв. см.

Стоит при выборе сечения представлять и размеры стандартного окна магнитопровода. Так, если количество витков чрезмерно большое, они просто могут не поместиться в него, в результате придется уменьшать их количество и применять тонкий провод.

Не следует забывать и экономическую составляющую. Лишние витки утяжеляют конструкцию трансформатора и повышают его стоимость. Обмоточный провод – дефицитный материал.