Расчет обмоток сварочного трансформатора

Расчет сварочного трансформатора выполняется по специфическим формулам. Это происходит вследствие того, что типовые схемы трансформаторов, равно как и методы расчета, нельзя использовать для сварочного инструмента. При изготовлении сварки необходимо отталкиваться от того, что имеется в наличии. Самое главное — это железо. Какое есть, такое и ставят обычно, весь расчет идет именно для конкретного магнитопровода. Конечно же, не всегда он хороший, поэтому возникают нагрев и вибрации. Хорошо, если у вас в наличии имеется железо, параметры которого очень близки к промышленному. Тогда можно смело использовать методики для расчета типовых устройств. Чтобы изготовить сварочный аппарат, потребуется знать его основные параметры и устройство.

Схема устройства сварочного трансформатора.

Мощность трансформатора для сварочного аппарата

Перед тем как начинать расчет, тем более изготовление, нужно выяснить для себя то, каким должен быть сварочный ток. Так как в быту чаще всего применяют электроды, диаметр которых 3-4 мм, стоит опираться в расчетах на них. Трехмиллиметровых вполне достаточно для работы по дому и хозяйству. Даже кузовные работы в автомобиле можно проводить, не опасаясь за некачественные швы, которые может сделать сварка. Значит, если пал выбор на тройку, нужно выбирать ток около 115 А. Именно при таком токе идеально работают эти электроды. Если же вы решили использовать двойку, ток на выходе аппарата должен быть около 70 А, а для четверки — вдвое больше.

Схема трансформатора с первичной и вторичной обмоткой.

Учтите, что у сварочного трансформатора мощность не должна быть очень большой. Ток потребления — максимум 200 А. Да и то в таком случае будет чрезмерный нагрев не только проводов обмотки, но и кабелей питания. Следовательно, нагрузка на сеть возрастает, и электрические предохранители могут не выдерживать. Так что, если решили использовать электроды толщиной в 3 мм, отталкивайтесь от тока не более 130 А. Для того чтобы вычислить у сварочного трансформатора мощность, вам потребуется произведение тока во вторичной обмотке при воспламенении дуги, угла сдвига фаз, напряжения в режиме покоя разделить на коэффициент полезного действия. В данном случае его можно считать величиной постоянной, она равна 0,7.

Устройство трансформатора для сварки

Самое главное в сердечниках — это форма. Она может быть стержневого (П-образный) или броневого типа (Ш-образный). Если сравнивать их, то окажется, что КПД выше у первого типа устройств для сварки. Плотность намотки тоже может быть достаточно высокой. Конечно же, они чаще всего применяются для изготовления электрической сварки. У самодельного аппарата для сварки металла могут быть обмотки следующих типов:

• цилиндрические (вторичная обмотка наматывается поверх сетевой);
• дисковые (обе обмотки располагаются на некотором расстоянии друг от друга).

Цилиндрические обмотки: а – однослойная, б – двухслойная, в – многослойная из круглого провода, 1 – витки из прямоугольного провода, 2 – разрезные выравнивающие кольца, 3 – бумажно-бакелитовый цилиндр, 4 – конец первого слоя обмотки, 5 – вертикальные рейки, 6 – внутренние ответвления обмотки.

Стоит подробнее рассмотреть каждый тип обмоток. Что касается цилиндрической намотки, то она имеет очень жесткие вольт-амперные характеристики. Но он не будет пригоден для применения в ручных сварочных аппаратах. Можно выйти из положения, применив в конструкции аппарата дроссели и реостаты. Но они только усложняют всю схему, что нецелесообразно в большей части случаев.

При использовании дискового типа намотки сетевая отдалена на некоторое расстояние от вторичной. Большая часть возникающего в устройстве магнитного потока (а если точнее, то он возникает в сетевой обмотке) никак не может быть связана (даже индуктивно) с вторичной обмоткой. Такой тип намотки лучше всего использовать в тех случаях, когда имеется необходимость в частой регулировке тока сварки. Внешняя характеристика у таких устройств имеется в необходимом количестве. А от расположения сетевой обмотки относительно вторичной напрямую зависит индуктивность рассеяния сварочного трансформатора. Но она еще зависит и от типа магнитопровода, даже от того, есть ли рядом со сварочным аппаратом металлические предметы. Вычислить точное значение индуктивности не представляется возможным. При расчете применяются приблизительные вычисления.

Ток, необходимый для работы сварки, регулируется путем изменения зазора между первичной и вторичной обмотками. Их, конечно же, следует делать так, чтобы можно было без труда перемещать по магнитопроводу. Вот только в условиях домашнего изготовления такое сделать довольно сложно, но можно сделать определенное число фиксированных значений тока сварки. При использовании сварки в дальнейшем, если потребуется немного уменьшить ток, нужно укладывать кольцами кабель. Учтите только, что он от этого будет греться.

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

Очень сильное рассеивание будет у сварочных аппаратов, которые оборудованы сердечниками П-образной формы. Причем у них сетевая обмотка обязательно должна располагаться на одном плече, а вторичная — на втором. Это вследствие того, что расстояние от одной обмотки до другой достаточно большое. Основной показатель сварочного трансформатора — это коэффициент трансформации. Он может быть вычислен путем деления числа витков вторичной обмотки на число витков первичной. Такое же значение вы получите, разделив выходной ток или напряжение на соответствующую входную характеристику (ток или напряжение).

Стандартный расчет сварочного трансформатора

Следующая методика применяется исключительно при проведении расчетов преобразующих устройств с использованием магнитопроводов только лишь П-образной формы. Обе обмотки намотаны на одинаковых каркасах, располагаются на разных плечах. Следует учитывать, что необходимо половины обеих обмоток соединять последовательно между собой. Например, производится расчет преобразователя для работы с электродами 4 мм. Для этого необходим ток во вторичной обмотке примерно 160 А. Напряжение на выходе должно составить 50 В. В это же время сетевое (питающее) напряжение принимать следует 220 или 240 В. Пусть продолжительность работы будет 20%.

Для расчета необходимо вводить параметр мощности, учитывающий продолжительность работы. Эта мощность будет равна: Рдл = I2 x U2 x (ПР/100)1/2 х 0,001.

Для параметров сварочного аппарата, которые были взяты за отправную точку, значение мощности равно 3,58 кВт. Теперь необходимо вычислить число витков обмоток. Для этого: E = 0,55 + 0,095 × Pдл.

Расположение обмоток на стержнях в трансформаторах: 1 — стержень, 2 — обмотка ВН, 3 — обмотка НН, 4,5- группы катушек.

В этой формуле Е — это электродвижущая сила одного витка. Для рассчитываемого устройства это значение будет равно 0,89 Вольт/виток. То есть с каждого витка преобразователя можно снять 0,89 В. Следовательно, отношение 220/0,89 — это число витков первичной обмотки. А отношение 50/0,89 — это число витков вторичной обмотки сварочного трансформатора.

В первичной обмотке будет ток, равный отношению произведения тока вторичной обмотки и коэффициента k=1,1 к коэффициенту трансформации. В примере получится ток, равный 40 А. Для определения сечения сердечника сварочного трансформатора нужно использовать формулу: S = U2 × 10000/(4.44×f×N2×Bm).

Для расчета в примере площадь будет равна 27 см². При этом f принимается равным 50 Герц, а Bm — это индукция поля (магнитного) в сердечнике устройства. Ее значение принимается равным 1,5 Тесла.

Для сварочного трансформатора, который будет работать с электродами толщиной в 4 мм, получены такие характеристики, как:

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

• ток сварки — 160 А;
• площадь сечения сердечника — 28,5 см²;
• первичная обмотка содержит 250 витков.

Но данные характеристики справедливы для сварочного трансформатора. Только при изготовлении его использовалась схема, в которой применено увеличенное значение магнитного рассеивания. Воспроизвести в домашних условиях такое устройство вряд ли получится, поэтому окажется проще изготовить трансформатор с намоткой вторичной обмотки непосредственно поверх сетевой. Даже если принять во внимание условие того, что неизбежны применение дросселей, ухудшение характеристик, то магнитный поток такого нехитрого устройства будет сконцентрирован в определенной точке и вокруг нее. А вся энергия в ней способна передаваться рационально.

Простой расчет трансформатора для сварки

Стандартные методы расчета трансформаторов неприемлемы в большинстве случаев, так как применяется и железо нестандартных форм, и провод с неизвестным сечением, вычисленным приблизительно. При расчете были получены такие характеристики сварочного трансформатора, как площадь сечения магнитопровода и количество витков. Стоит заметить, что при увеличении площади сечения вдвое характеристики самого трансформатора не ухудшатся. Придется только изменить число витков первичной обмотки, чтобы добиться требуемой мощности.

Чем больше у магнитопровода сечение, тем меньше витков придется наматывать. Используйте такое качество, если испытываете затруднения с обмоточным проводом. Для расчета числа витков первичной обмотки можно воспользоваться простыми формулами:

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

• N1 = 7440×U1/(Sиз×I2);
• N1 = 4960×U1/(Sиз×I2).

Первая применяется при расчете сварочных аппаратов, у которых обе обмотки располагаются на одном и том же плече. Для разнесенных обмоток применяться должна вторая формула. В этих формулах Sиз — это сечение магнитопровода, измеренное перед проведением расчетов. Учтите, что при разнесении обмоток на разные плечи вы не получите на выходе сварочного аппарата ток свыше 140 А. А для любого типа устройств принимать в расчет значение тока, которое больше 200 А, тоже нельзя. И не забывайте о том, что у вас есть множество неизвестных:

• сорт трансформаторного железа;
• напряжение в сети и его изменение;
• сопротивление в линии электропередач.

Чтобы исключить возможность влияния таких второстепенных факторов на работу сварочного трансформатора, необходимо через каждые 40 витков делать отвод. Вы сможете в любой момент изменить режим работы трансформатора, подав напряжение питания на меньшее или большее число витков.

Сечение магнитопровода и подбор витков трансформатора

Пакет трансформаторного железа (магнитопровод).

Зная сечение магнитопровода, можно найти количество витков обмоток сварочного трансформатора. Главное, что вам придется решить, это то, каким конкретно должно быть сечение. В идеале было получено значение, равное 28 см². Но оно не всегда может быть применено в сварочном трансформаторе, если посмотреть на конструктивные и экономические составляющие. Необходимо тщательнейшим образом обдумать, как вы будете мотать провод. Для одной мощности можно выбрать две схемы:

• 30 см² и 250 витков;
• 60 см² и 125 витков.

Возможно также использование промежуточного варианта. Если окно маленькое, лучше просто увеличить площадь сечения. Но тогда увеличится и масса сварочного трансформатора. Поэтому свободно передвигать его можно только на специальной тележке.

Бывают случаи, когда приходится судить о полезной мощности трансформатора для сварочного аппарата лучше всего по току, который замеряется в первичной обмотке устройства в режиме холостого хода. А если быть точнее, то приходится вести разговор скорее не о значении мощности во время образования дуги, а только лишь о регулировке сварочного трансформатора на самую большую мощность. Выжимаете из вашей конструкции максимум. И главное в процессе расчета трансформатора — это не допустить недостаточного числа витков первичной обмотки. Необходимо наличие следующих приборов:

• ЛАТР (линейный автотрансформатор);
• амперметр;
• вольтметр.

Даже у однотипных трансформаторов различным может оказаться ток. Поэтому по нему судить о мощности электросварки нельзя. Но зависимость в первичной обмотке тока способна рассказать о многом. Можно выявить некоторые особенные свойства сварочного трансформатора. Чтобы сделать это, необходимо с выхода ЛАТРа подавать напряжение на первичную обмотку сварки. Благодаря линейному автотрансформатору вы сможете изменять значение напряжения от 0 до 240 В. Параллельно обмотке включается вольтметр, а в разрыв одного провода — амперметр.

Сперва происходит линейное увеличение тока, которое принимает небольшое значение.

После скорость увеличения становится больше, ток возрастает быстро и стремительно. При недостаточном числе витков в первичной кривая тока будет стремиться к бесконечному значению до достижения порога в 240 В. Поэтому нужно добавить некоторое количество витков к обмотке сварочного аппарата. Причем не забудьте учесть тот факт, что при включении в сеть без ЛАТРа ваше устройство начнет потреблять из нее как минимум на треть большее количество тока. Вот так не просто теоретически рассчитать сварочный трансформатор, на практике же все обстоит намного проще.

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:

Так как трансформатор стержневой, то первичная (и вторичная) обмотка находится на двух катушках:

Данный расчет трансформатора для сварки подойдет и для того что бы провести расчет трансформатора для точечной сварки.

Как уже не раз было описано, трансформатор состоит из сердечника и двух обмоток. Именно эти элементы конструкции отвечают за основные рабочие характеристики трансформатора для сварки. Зная заранее, какими должны быть номинальная сила тока, напряжение на первичной и вторичной обмотках, а также другие параметры (маркировки сварочных трансформаторов), выполняется расчет для обмоток, сердечника и сечения провода.

Проводим точный расчет трансформатора для сварки!

При выполнении расчетов трансформатора для сварки за основу берутся следующие данные:

– напряжение первичной обмотки U1 . По сути, это напряжение сети, от которой будет работать трансформатор. Может быть 220 В или 380 В; номинальное напряжение вторичной обмотки U2. Напряжение электричества, которое должно быть после понижения входящего и не превышающее 80 В. Требуется для возбуждения дуги; номинальная сила тока вторичной обмотки I. Этот параметр выбирается из расчета, какими электродами будет вестись сварка и какой максимальной толщины металл можно будет сварить; площадь сечения сердечника Sс. От площади сердечника зависит надежность работы аппарата. Оптимальной считается площадь сечения от 45 до 55 см2; площадь окна So. Площадь окна сердечника выбирается из расчета хорошего магнитного рассеяния, отвода избытка тепла и удобства намотки провода. Оптимальными считаются параметры от 80 до 110 см2;

– плотность тока в обмотке (A/мм2) . Это довольно важный параметр, отвечающий за электропотери в обмотках трансформатора. Для самодельных сварочных трансформаторов этот показатель составляет 2,5 – 3 А. umnyestroiteli.ru

В качестве примера расчетов возьмем следующие параметры для сварочного трансформатора: напряжение сети U1=220 В, напряжение вторичной обмотки U2=60 В, номинальная сила тока 180 А, площадь сечения сердечника Sс=45 см2, площадь окна So=100 см2, плотность тока в обмотке 3 А.

Первое, что необходимо рассчитать, это мощность самого трансформатора:

P = 1,5*Sс*So = 1,5*45*100 = 6750 Вт или 6,75 кВт.

Важно! В данной формуле коэффициент 1,5 применим для трансформаторов с сердечником типа П, Ш. Для тороидальных трансформаторов этот коэффициент равен 1,9, а для сердечников типа ПЛ, ШЛ 1,7.

Далее выполняем расчет количества витков для каждой из обмоток. Для этого вначале рассчитываем количество витков на 1 В по формуле K = 50/Sс = 50/45 = 1,11 витка на каждый потребляемый Вольт.

Важно! Также как и в первой формуле, коэффициент 50 использован для трансформаторов с сердечником типа П, Ш. Для тороидальных трансформаторов он будет равен 35, а для сердечников типа ПЛ, ШЛ 40.

Теперь выполняем расчет максимальной силы тока на первичной обмотке по формуле: Imax = P/U = 6750/220 = 30,7 А. Осталось на основании полученных данных выполнить расчет витков.

Для расчета витков используем формулу Wх =Uх*K. Для вторичной обмотки это будет W2 = U2*K = 60*1,11 = 67 витков. Для первичной расчет выполним чуть позже, так как там применяется другая формула. Довольно часто, особенно для тороидальных трансформаторов, выполняется расчет ступеней регулирования силы тока. Это делается для вывода провода на определенном витке. Выполняется расчет по следующей формуле: W1ст = (220*W2)/Uст.

• Uст – выходное напряжение вторичной обмотки.
• W2 – витки вторичной обмотки.
• W1ст – витки первичной обмотки определенной ступени.

Но прежде необходимо рассчитать напряжение каждой ступени Uст. Для этого воспользуемся формулой U=P/I. К примеру нам необходимо сделать четыре ступени с регулировкой на 90 А, 100 А, 130 А и 160 А для нашего трансформатора мощностью 6750 Вт. Подставив данные в формулу, получим U1ст1=75 В, U1ст2=67,5 В, U1ст3=52 В, U1ст4=42,2 В.

Полученные значения подставляем в форму расчета витков для ступеней регулировки и получаем W1ст1=197 витков, W1ст2=219 витков, W1ст3=284 витка, W1ст4=350 витков. Добавив к максимальному значению полученных витков для 4-й ступени еще 5 %, получим реальное количество витков – 385 витков.

Напоследок рассчитываем сечение провода на первичной и вторичной обмотках. Для этого делим максимальный ток для каждой обмотки на плотность тока. В результате получим Sперв = 11 мм2 и Sвтор = 60 мм2.

Важно! Расчет трансформатора контактной сварки выполняется аналогичным образом. Но есть ряд существенных отличий. Дело в том, что номинальная сила тока вторичной обмотки для таких трансформаторов порядка 2000 – 5000 А для маломощных и до 150000 А для мощных. В дополнение для таких трансформаторов регулировка делается до 8 ступеней с использованием конденсаторов и диодного моста.

Как рассчитать трансформатор видео.