Зварювальний трансформатор: РОЗРАХУНОК І ВИГОТОВЛЕННЯ

В. Володін, ( valvolodin.narod.ru і valvol.nightmail.ru ) М. Одеса, Україна

Специфіка роботи зварювального трансформатора полягає в тому, що його навантаження непостійна. Зазвичай вважають, що частка часу роботи під навантаженням в циклі, що складається з власне зварювання і паузи, не перевищує 60%. Для побутових зварювальних трансформаторів нерідко приймають ще меншу величину – 20%, що дозволяє без значного погіршення теплового режиму збільшити щільність струму в обмотках трансформатора і зменшити площу вікна його магнітопровода, необхідну для розміщення обмоток. При зварювальному струмі до 150 А вважають допустимої щільність струму в мідній обмотці 8 А/мм2, в алюмінієвій – 5 А/мм2 [5].

При заданій потужності габарити і маса трансформатора будуть мінімальні, якщо індукція в його магнітопроводі досягає максимально-допустимого для вибраного матеріалу значення. Але самодіяльний конструктор зазвичай не знає цієї величини, так як має справу з електротехнічної сталлю невідомої марки. Щоб уникнути несподіванок, індукцію зазвичай занижують, що призводить до невиправданого збільшення розмірів трансформатора.

Скориставшись що приводиться нижче методикою, можна визначити магнітні характеристики будь-трансформаторної сталі, наявної в розпорядженні. З цієї сталі збирають "експериментальний" магнітопровода перетином 5 … 10 см2 (твір розмірів а і b на рис. 8) і намотують на один з його кернів 50 … 100 витків м'якого ізольованого проводу перетином 1,5 … 2,5 мм2. Для подальших розрахунків необхідно знайти за формулою l СР = 2h + 2с + 3,14 * а середню довжину магнітної силової лінії й виміряти активний опір обмотки r про .

Далі за схемою, показаної на рис. 9, збирають випробувальну установку. Т1 – лабораторний регульований автотрансформатор (ЛАТР); L1 – обмотка на "експериментальному" магнітопроводі. Габаритна потужність понижуючого трансформатора Т2 – не менше 63 ВА, коефіцієнт трансформації – 8 … 10.

Поступово збільшуючи напругу, будують залежність індукції в магнітопроводі В, Тл, від напруженості магнітного поля Н, А / м, подібну показаної на рис. 10, обчислюючи ці величини за формулами:

де U і I – свідчення вольтметра PV1, В, і амперметра РА1, A; F – частота, Гц; S – площа перетину "експериментального" магнітопровода, см 2 ; W – число витків його обмотки. З отриманого графіка знаходять, як показано на малюнку, індукцію насичення Bs, максимальну індукцію Вm і максимальну напруженість змінного магнітного поля Нm.

Для прикладу розрахуємо зварювальний трансформатор, який призначений для роботи від мережі змінного струму 220 В, 50 Гц, задавшись напругою холостого ходу U хх = 65 В і максимальним струмом зварювання I max = 150 А.

Габаритна потужність трансформатора

P габ =U xx *I max = 65 * 150 = 9750 ВА.

За відомою формулою визначаємо твір площі перерізу магнітопроводу S м на площу його вікна S o :

де J – щільність струму в обмотках, А/мм2; k з = 0,95 – коефіцієнт заповнення перерізу магнітопроводу сталлю; k 0 = 0,33 … 0,4 – коефіцієнт заповнення його вікна міддю (алюмінієм).

Припустимо, В m = 1,42 Тл, первинна обмотка намотана мідним дротом, вторинна – алюмінієвим (беремо середнє значення щільності струму J = 6,5 A/mm2):

S M S O = 9750 / (1,11 * 1,42 * 6,5 * 0,95 * 0,37) = 2707 см 4 .

Для стрижневих трансформаторів рекомендовані [6] наступні співвідношення розмірів (див. рис. 8): b / а = 2; с / а = 1,6; h / a = 2,5 … 5. Вибравши h / а = 4, обчислимо розмір а, см:

Прийнявши а = 40 мм, знайдемо інші розміри магнітопровода: b = 2 * а = 80мм; з = 1,6 * а = 32 мм; h = 4а = 160 мм.

ЕРС одного витка обмотки трансформатора на такому магнітопроводі E B =2,22*104B m *a*b*k c = 2,22 * 10-4 * 1,42 * 3200 * • * 0,95 = 0,958 В. Число витків вторинної обмотки w 2 =U xx /E B = 65 / 0,958 = 68. Перетин дроту вторинної обмотки S 2 =l max / J = 150 / 5 = 30 мм2 (J = 5 А/мм2, так як дріт вторинної обмотки алюмінієвий). Число витків первинної обмотки w 1 =U 1 /E B = 220 / 0,958 = 230. Максимальний струм первинної обмотки I 1max =l max *w 2 /w 1 = 150 * 68/230 = 44,35 А. Переріз мідного дроту первинної обмотки S 1 =I 1max / J = 44,35 / 8 = 5,54 мм 2 .

Як первинну, так і вторинну обмотки трансформатора стрижневий конструкції зазвичай ділять на дві однакові частини, розміщуючи їх на двох керна магнітопровода. Кожна з послідовно з'єднаних частин первинної обмотки – 115 витків дроту діаметром не менше 2,65 мм. Якщо ж частини первинної котушки припускають з'єднувати паралельно, кожна повинна містити по 230 витків дроту вдвічі меншого перерізу – Діаметром не менше 1,88 мм. Аналогічним чином ділять на дві частини і вторинну обмотку.

Якщо обмотки виконують циліндричними, для отримання падаючої навантажувальною характеристики трансформатора послідовно з вторинною слід включити резистор опором 0,2 … 0,4 Ом з ніхромового дроту діаметром не менше 3 мм. Для трансформатора з дисковими обмотками цей резистор не буде потрібно. На жаль, точний розрахунок індуктивності розсіювання трансформатора такого практично неможливий, так як вона залежить навіть від розташування довколишніх металевих предметів. На практиці розрахунок ведуть методом послідовних наближень з коригуванням моткових і конструктивних даних трансформатора за результатами випробувань виготовлених зразків. Детальну методику можна знайти в [7].

В аматорських умовах важко виготовити трансформатор з рухомими (для регулювання струму) обмотками. Щоб отримати декілька фіксованих значень струму, роблять вторинну обмотку з відводами. Більше точне регулювання (у бік зменшення струму) виробляють, додаючи в ланцюг своєрідну котушку індуктивності – укладаючи зварювальний кабель в бухту.

Перш ніж приступити до виготовлення розрахованого трансформатора, доцільно переконатися, що його обмотки розмістяться у вікні магнітопровода з урахуванням необхідних технологічних зазорів, товщини матеріалу, з якого виготовлений каркас, та інших факторів. Розміри з і h (див. рис. 8) необхідно "підігнати" таким чином, щоб у кожному шарі обмотки вклалися ціле число витків вибраного проводу, а число шарів також було цілим або трохи меншим найближчого цілого. Слід передбачити місце для міжшарової і межобмоточной ізоляції.

Найбільш вдалий варіант не завжди отримують з першої спроби, часто доводиться неодноразово і досить істотно коректувати ширину і висоту вікна магнітопровода. Проектуючи циліндричні обмотки, необхідно оптимальним чином вибрати розміри їх секцій. Зазвичай для вторинної обмотки, намотаної товстим дротом, відводять більше місця, ніж для первинної.

Ескіз конструкції трансформатора на два значення зварювального струму – 120 і 150 А – показано на рис. 11, а схема

його включення – на рис. 12. Меншому току відповідає більше число витків вторинної обмотки. Це не помилка. Відомо, що напруга обмотки пропорційно числу її витоків, а індуктивність розсіювання зростає пропорційно квадрату їх числа. У результаті струм зменшується.

Обмотки розміщені на двох каркасах з листового склотекстоліти товщиною 2 мм. Секції первинної та вторинної обмоток на кожному каркасі розділені ізолюючої щічкою з того ж матеріалу. Отвори в каркасах для магнітопровода на 1,5 … 2 мм ширше і довше поперечного перерізу останнього. Це позбавляє від проблем при збірці. Щоб не допустити деформації каркаса, під час намотування його щільно насаджують на дерев'яну оправлення. Первинна обмотка складається з двох секцій (I 'і I''), розташованих на різних каркасах і з'єднаних паралельно. Кожна із секцій – 230 витків дроту ПЕВ-2 діаметром 1,9 мм. Якщо в наявності є провід діаметром 2,7 мм, в секціях можна намотати по 115 витків, але з'єднати їх доведеться послідовно. Кожен шар проводи перед намотуванням наступного слід ущільнити легкими ударами дерев'яного молотка і промазати просочувальних лаком. Як міжшарової ізоляції підійде прессшпан (електрокартон) товщиною 0,5 … 1 мм.

Для вторинної обмотки автором була застосована алюмінієва шина перетином 30 мм 2 (5×6 мм). Якщо є шина приблизно такої ж площі поперечного перерізу, але іншого розміру, доведеться трохи змінити ширину секцій каркаса, щоб розмістити обмотку. Неізольовані шину перед намотуванням слід щільно обмотати кіперному стрічкою або тонкої бавовняної тканиною, попередньо розрізаної на смуги шириною 20 мм. Товщина ізоляції – не більше 0,7 мм.

Секції II 'і II "мають по 34, секції III" і III''-по 8 витків. Шину укладають на каркас у два шари широкою стороною до магнітопровода. Кожен шар ущільнюють легкими ударами дерев'яного молотка і рясно промащують просочувальних лаком. Виготовлені котушки слід просушити. Температура і тривалість сушіння залежать від марки просочувально лаку.

Магнітопроводи трансформатора набраний з пластин холоднокатаної трансформаторної сталі товщиною 0,35 мм. На відміну від майже чорної гарячекатаної сталі поверхню листа холоднокатаної – біла. Можна скористатися листовою сталлю з магнітопроводів що вийшли з ладу трансформаторів, що встановлюються на трансформаторних підстанціях. Сталь бажано випробувати за методикою, про яку розказано вище. Якщо отримане дослідним шляхом значення максимальної індукції В m значно відрізняється від прийнятого при розрахунку (1,42 Тл), останній доведеться повторити і врахувати результати при виготовленні трансформатора. Сталеві листи рубають у напрямку прокату на смуги шириною 40 мм, які розрізають на пластини завдовжки 108 і 186 мм. Задирки видаляють надфілем або напилком з дрібною насічкою. Магнітопроводи збирають "вперекришку" з можливо меншими зазорами на стиках пластин.

Готовий трансформатор поміщають в захисний кожух з немагнітного матеріалу, наприклад, алюмінію. У кожусі обов'язково роблять вентиляційні отвори. До мережі 220 В трансформатор підключають кабелем з мідними силовими жилами перерізом не менше 6 мм 2 і заземлюючим проводом, який з'єднують з магнітопроводів трансформатора і його захисним кожухом. Електрична розетка повинна бути трьохконтактний (третій – заземлений), розрахованої на струм не менше 63 А.

Висновки вторинних обмоток надійно з'єднують з різьбовими латунними шпильками діаметром 8 … 10 мм, встановленими на термостійкої діелектричної панелі, укріпленої на захисному кожусі трансформатора. В якості зварювальних придатні м'які мідні дроти перетином 16 … 25 мм 2 . Електроди для зварювання (у разі відсутності готових) можна зробити самостійно, скориставшись, наприклад, рекомендаціями з [8]. Дріт діаметром 2 … 6 мм з м'якої маловуглецевої сталі ділять на прямі відрізки завдовжки по 300 … 400 мм. Тинк готують з 500 г крейди і 190 г рідкого скла, розвівши їх склянкою води. Цієї кількості вистачить на 100-200 електродів.

Підготовлені відрізки дроту занурюють у тинк майже на всю довжину, залишаючи непокритими тільки кінці завдовжки приблизно 20 мм, виймають і сушать при температурі 20 … 30 ° С. Такі електроди придатні для зварювання як змінним, так і постійним струмом. Зрозуміло, вони можуть служити лише тимчасовою альтернативою випущеним промисловим способом. Для виконання відповідальних робіт ними користуватися не варто.

ЛІТЕРАТУРА

5. Закс М. І. та ін Трансформатори для електродугової зварки. -Л.: Энергоатомиздат, 1988.

6. Баранов В. Малопотужний електрозварювальний апарат .- Радіо, 1996, № 7, с. 52-54.

7. Горський А. М. та ін Розрахунок електромагнітних елементів джерел вторинного електроживлення. – М.: Радіо і зв'язок, 1988.

8. Довідкова книга електромонтера. – М.: Энергоиздат, 1934.