Программа расчета сварных швов. Программа для расчета сварочных трансформаторов - файл n8.doc
(Документ)
n8.doc
Сварочный калькуляторПрограмма “Расчет сварочных трансформаторов” написана для облегчения расчета при создании самодельных сварочных трансформаторов. Методика расчета взята у В.Володина
Расчетные данные
По этой методике я сам намотал 2 трансформатора, правда, первый пришлось перематывать четыре раза, пока не добился его работоспособности.
В программе вы заполняете несколько полей ввода своими данными и при нажатие кнопки “Рассчитать” она рассчитает количество витков в обмотках, сечение проводов и некоторые другие данные Вот поля, которые вы должны обязательно заполнить
наборный 
ленточный
Наборный изготавливается из пластин Г-, П- или Ш-образных пластин трансформаторного железа. Ленточный соответственно из ленты трансформаторного железа. Трансформаторное железо - специальная магнитомягкая электротехническая сталь отожженная по особой технологии).
Сечение сердечника = а*b.
Сечение сердечника должно быть достаточным для работы трансформатора.
Определение сечение магнитопровода в кв.см S>0,015*P (где Р - в ваттах).
Для магнитопроводов, отличных от тороидального, следует увеличить сечение в 1,3...1,5 раза.
Расчетная мощность трансформатора в ваттах равна
Ртр=25*Iсв,
где Iсв - сварочный ток в амперах.
Габаритная мощность трансформатора в ваттах равна
Ргаб=Uхх*Iсв,
где Uxx -напряжение на II обмотке
Если вы еще не знаете, какое сечение Вам нужно, программа сама рассчитает и подставит требуемые данные в поле ввода в зависимости от тока сварки
Также, вы должны выбрать из выпадающего списка материал проводов для первичной и вторичной обмоток и тип сердечника.
Сердечники бывают
Броневые (Ш-образные рис. - а))
Стержневые (Г-образные рис. - б))
Тороидальные (О-образные рис. - в))
Броневые сердечники для трансформаторов применяются редко.
Тороидальные имеют лучшие показатели.
При построении сварочного аппарата предпочтительно применение тороидального магнитопровода, обладающего минимальными габаритами и полем рассеяния. Но их трудно наматывать.
Более просты при сборке стержневые трансформаторы. Я именно на них мотал свои трансформаторы.
СВАРОЧНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР: РАСЧЕТ И ИЗГОТОВЛЕНИЕ
В. ВОЛОДИН, (http://valvolodin.narod.ru и http://valvol.nightmail.ru ) г. Одесса, Украина
Специфика работы 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 магнитопровода, 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 .
При заданной мощности габариты и масса трансформатора будут минимальны, если индукция в его магнитопроводе 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.
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 + 3,14*а среднюю длину магнитной силовой линии и измерить активное сопротивление обмотки r об.
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 2 ; w - число витков его обмотки. Из полученного графика находят, как показано на рисунке, индукцию насыщения Bs, максимальную индукцию Вm и максимальную напряженность переменного магнитного поля Нm.
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 трансформатора
P габ =U xx *I max =65*150=9750 ВА.
По известной формуле определяем произведение площади сечения магнитопровода S м на площадь его окна S o:
где J - плотность тока в обмотках, А/мм2; k с =0,95 - коэффициент заполнения сечения магнитопровода сталью; k 0 =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/mm2):
S M S O =9750/(1,11*1,42*6,5*0,95*0,37)= 2707 см 4 .
Приняв а=40 мм, найдем остальные размеры магнитопровода: b=2*а=80мм; с=1,6*а=32 мм; h=4а=160 мм.
ЭДС одного витка обмотки трансформатора на таком магнитопроводе E B =2,22*104B m *a*b*k c =2,22*10-4*1,42*3200* *0,95 = 0,958 В. Число витков вторичной обмотки w 2 =U xx /E B =65/0,958=68. Сечение провода вторичной обмотки S 2 =l max /J=150/5=30 мм2 (J=5 А/мм2, так как провод вторичной обмотки алюминиевый). Число витков первичной обмотки w 1 =U 1 /E B =220/0,958=230. Максимальный ток первичной обмотки I 1max =l max *w 2 /w 1 =150*68/230=44,35 А. Сечение медного провода первичной обмотки S 1 =I 1max /J=44,35/8=5,54 мм 2 .
Как первичную, так и вторичную обмотки 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 .
В любительских условиях трудно изготовить 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 магнитопровода 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 межслойной 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 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.
Обмотки размещены на двух каркасах из листового стеклотекстолита толщиной 2 мм. Секции первичной и вторичной обмоток на каждом каркасе разделены изолирующей щечкой из того же материала. Отверстия в каркасах для магнитопровода на 1,5...2 мм шире и длиннее поперечного сечения последнего. Это избавляет от проблем при сборке. Чтобы не допустить деформации каркаса, во время намотки его плотно насаживают на деревянную оправку. Первичная обмотка состоит из двух секций (I" и I""), расположенных на разных каркасах и соединенных параллельно. Каждая из секций - 230 витков провода ПЭВ-2 диаметром 1,9 мм. Если в наличии имеется провод диаметром 2,7 мм, в секциях можно намотать по 115 витков, но соединить их придется последовательно. Каждый слой провода перед намоткой следующего следует уплотнить легкими ударами деревянного молотка и промазать пропиточным лаком. В качестве межслойной изоляции подойдет прессшпан (электрокартон) толщиной 0,5...1 мм.
Для вторичной обмотки автором была применена алюминиевая шина сечением 30 мм 2 (5x6 мм). Если имеется шина приблизительно такой же площади поперечного сечения, но другого размера, придется немного изменить ширину секций каркаса, чтобы разместить обмотку. Неизолированную шину перед намоткой следует плотно обмотать киперной лентой или тонкой хлопчатобумажной тканью, предварительно разрезанной на полосы шириной 20 мм. Толщина изоляции - не более 0,7 мм.
Секции II" и II" имеют по 34, секции III" и III""- по 8 витков. Шину укладывают на каркас в два слоя широкой стороной к магнитопроводу. Каждый слой уплотняют легкими ударами деревянного молотка и обильно промазывают пропиточным лаком. Изготовленные катушки следует просушить. Температура и продолжительность сушки зависят от марки пропиточного лака.
Магнитопровод трансформатора набран из пластин холоднокатаной трансформаторной стали толщиной 0,35 мм. В отличие от почти черной горячекатаной стали поверхность листа холоднокатаной - белая. Можно воспользоваться листовой сталью из магнитопроводов вышедших из строя трансформаторов, устанавливаемых на трансформаторных подстанциях. Сталь желательно испытать по методике, о которой рассказано выше. Если полученное опытным путем значение максимальной индукции В m значительно отличается от принятого при расчете (1,42 Тл), последний придется повторить и учесть результаты при изготовлении трансформатора. Стальные листы рубят в направлении проката на полосы шириной 40 мм, которые разрезают на пластины длиной 108 и 186 мм. Заусенцы удаляют надфилем или напильником с мелкой насечкой. Магнитопровод собирают "вперекрышку" с возможно меньшими зазорами на стыках пластин.
Готовый трансформатор помещают в защитный кожух из немагнитного материала, например, алюминия. В кожухе обязательно делают вентиляционные отверстия. К сети 220 В трансформатор подключают кабелем с медными силовыми жилами сечением не менее 6 мм 2 и заземляющим проводом, который соединяют с магнитопроводом трансформатора и его защитным кожухом. Сетевая розетка должна быть трехконтактной (третий - заземлен), рассчитанной на ток не менее 63 А.
Выводы вторичных обмоток надежно соединяют с резьбовыми латунными шпильками диаметром 8...10 мм, установленными на термостойкой диэлектрической панели, укрепленной на защитном кожухе трансформатора. В качестве сварочных пригодны мягкие медные провода сечением 16...25 мм 2 . Электроды для сварки (в случае отсутствия готовых) можно сделать самостоятельно, воспользовавшись, например, рекомендациями из . Проволоку диаметром 2...6 мм из мягкой малоуглеродистой стали делят на прямые отрезки длиной по 300...400 мм. Обмазку готовят из 500 г мела и 190 г жидкого стекла, разведя их стаканом воды. Этого количества хватит на 100-200 электродов.
Подготовленные отрезки проволоки погружают в обмазку почти на всю длину, оставляя непокрытыми только концы длиной приблизительно 20 мм, вынимают и сушат при температуре 20...30°С. Такие электроды пригодны для сварки как переменным, так и постоянным током. Разумеется, они могут служить лишь временной альтернативой выпущенным промышленным способом. Для выполнения ответственных работ ими пользоваться не стоит.
ЛИТЕРАТУРА
5. Закс М. И. и др. Трансформаторы для электродуговой сварки. -Л.: Энергоатомиздат, 1988.
6. Баранов В. Маломощный электросварочный аппарат .-Радио, 1996, № 7, с. 52-54.
7. Горский А. Н. и др. Расчет электромагнитных элементов источников вторичного электропитания. - М.: Радио и связь, 1988.
8. Справочная книга электромонтера. - М.: Энергоиздат, 1934.
Расчет самодельных сварочных трансформаторов имеет выраженную специфику, так как в большинстве случаев они не соответствуют типовым схемам и для них, по большому счету, нельзя применить стандартные методики расчета, разработанные для промышленных трансформаторов. Специфика состоит в том, что при изготовлении самоделок параметры их компонентов подстраиваются под уже имеющиеся в наличии материалы - в основном под магнитопровод. Часто трансформаторы собираются не из самого лучшего трансформаторного железа, мотаются не самым подходящим проводом, усиленно греются и вибрируют.
При изготовлении трансформатора, близкого по конструкции промышленным образцам, можно пользоваться стандартными методиками расчета. Такие методики устанавливают наиболее оптимальные значения обмоточных и геометрических параметров трансформатора. Однако, с другой стороны, эта же оптимальность является недостатком стандартных методик. Так как они оказываются совершенно бессильными при выходе какого-либо параметра за рамки стандартных значений.
По форме сердечника различают трансформаторы броневого и стержневого типов.Трансформаторы стержневого типа, по сравнению с трансформаторами броневого типа, имеют более высокий КПД и допускают большие плотности токов в обмотках. Поэтому сварочные трансформаторы обычно, за редким исключением, бывают стержневого тика.
По характеру устройства обмоток различают трансформаторы с цилиндрическими и дисковыми обмотками.
Типы обмоток трансформаторов: а - цилиндрическая обмотка, б - дисковая обмотка. 1 - первичная обмотка, 2 - вторичная обмотка.
В трансформаторах с цилиндрическими обмотками одна обмотка намотана поверх другой. Так как обмотки находятся на минимальном расстоянии друг от друга, то практически весь магнитный поток первичной обмоткой сцепляется с витками вторичной обмотки. Только некоторая часть магнитного потока первичной обмотки, называемым потоком рассеяния, протекает в зазоре между обмотками и поэтому не связана со вторичной обмоткой. Такой трансформатор имеет жёсткую характеристику (про вольт-амперную характеристику сварочного аппарата читайте ). Трансформатор с такой характеристикой не годится для ручной сварки. Для получения падающей внешней характеристики сварочного аппарата, в этом случае, используют или балластный реостат или дроссель. Наличие этих элементов усложняет устройство сварочного аппарата.
В трансформаторах с дисковыми обмотками первичная и вторичная обмотки отдалены друг от друга. Поэтому значительная часть магнитного потока первичной обмотки не связана со вторичной обмоткой. Ещё говорят, что эти трансформаторы имеют развитое электромагнитное рассеяние. Такой трансформатор имеет, необходимую, падающую внешнюю характеристику. Индуктивность рассеяния трансформатора зависит от взаимного расположения обмоток, от их конфигурации, от материала магнитопровода и даже от близко расположенных к трансформатору металлических предметов. Поэтому точный расчёт индуктивности рассеяния практически невозможен. Обычно, на практике, расчёт ведётся методом последовательных приближений с последующим уточнением обмоточных и конструктивных данных на практическом образце.
Регулировка сварочного тока, обычно, достигается изменением расстояния между обмотками, которые выполняются подвижными. В бытовых условиях трудно выполнить трансформатор с подвижными обмотками. Выход может быть в изготовлении трансформатора на несколько фиксированных значений сварочного тока (на несколько значений напряжения холостого хода). Более тонкая регулировка сварочного тока, в сторону уменьшения, может осуществляется укладыванием сварочного кабеля в кольца (кабель будет сильно нагреваться).
Особенно сильным рассеиванием и, следовательно, крутопадающей характеристикой отличаются трансформаторы П-образной конфигурации у которых обмотки разнесены на разные плечи, так как расстояние между обмотками у них особенно велико.
Но они теряют много мощности и могут не дать ожидаемый ток.
Отношения числа витков первичной обмотки N 1 к числу витков вторичной обмотки N 2 называется коэффициентом трансформации трансформатора n, и если не учитывать различные потери, то справедливо выражение:
n = N 1 /N 2 = U 1 /U 2 = I 2 /I 1
где U 1 , U 2 - напряжение первичной и вторичной обмоток, В; I 1 , I 2 - ток первичной и вторичной обмоток, А.
Выбор мощности сварочного трансформатора
Прежде чем приступить к расчету сварочного трансформатора, необходимо четко определиться - на какой величине сварочного тока его предстоит эксплуатировать. Для электросварки в бытовых целях чаще всего используются покрытые электроды диаметром 2, 3 и 4 мм. Из них наибольшее распространение получили, наверное, трехмиллиметровые электроды, как наиболее универсальное решение, подходящие для сваривания как относительно тонкой стали, так и для металла значительной толщины. Для сварки двухмиллиметровыми электродами выбирается ток порядка 70А; "тройка" чаще всего работает на токе 110-120А; для "четверки" потребуется ток 140-150А.Приступая к сборке трансформатора, разумным будет установить для себя предел выходного тока, и мотать обмотки под выбранную мощность. Хотя здесь можно ориентироваться и на максимально возможную мощность для конкретного образца, учитывая, что от однофазной сети любой трансформатор вряд ли способен развить ток выше 200А. При этом необходимо четко осознавать, что с увеличением мощности растет степень нагрева и износа трансформатора, необходимы более толстые и дорогие провода, увеличивается вес, да и не каждая электросеть может выдержать аппетиты мощных сварочных аппаратов. Золотой серединой здесь может быть мощность трансформатора, достаточная для работы наиболее ходовым трехмиллиметровым электродом, с выходным током 120-130А.
Потребляемая мощность сварочного трансформатора, и аппарата в целом, будет равна:
P = U х.х. × I св. × cos(φ) / η
где U х.х. - напряжение холостого хода, I св. - ток сварки, φ - угол сдвига фаз между током и напряжением. Так как сам трансформатор является индуктивной нагрузкой, то угол сдвига фаз всегда существует. В случае расчета потребляемой мощности cos(φ) можно принять равным 0,8. η - КПД. Для сварочного трансформатора КПД можно принять равным 0,7.
Стандартная методика расчета трансформатора
Эта методика применима для расчета распространенных сварочных трансформаторов с увеличенным магнитным рассеянием, следующего устройства. Трансформатор изготовлен на основе П-образного магнитопровода. Его первичная и вторичная обмотки состоят из двух равных частей, которые расположены на противоположных плечах магнитопровода. Между собой половины обмоток соединены последовательно.
Для примера возьмемся рассчитать с помощью этой методики данные для сварочного трансформатора рассчитанного на рабочий ток вторичной катушки I 2 =160А, с выходным напряжением холостого хода U 2 =50В, сетевым напряжением U 1 =220В, значение ПР (продолжительность работы) примем, скажем, 20% (про ПР см. ниже).
Введем параметр мощности, учитывающий продолжительность работы трансформатора:
P дл = U 2 × I 2 × (ПР/100) 1/2 × 0.001
P дл = 50 × 160 (20/100) 1/2 × 0.001 = 3,58 кВт
где ПР - коэффициент продолжительности работы, %. Коэффициент продолжительности работы показывает, сколько времени (в процентах) трансформатор работает в дуговом режиме (нагревается), остальное время он находится в режиме холостого хода (остывает). Для самодельных трансформаторов ПР можно считать равным 20-30%. Сам ПР в общем-то не влияет на выходной ток трансформатора, впрочем, как и соотношения витков трансформатора не слишком-то сказываются на параметре ПР у готового изделия. ПР в большей степени зависит от других факторов: сечения провода и плотности тока, изоляции и способа укладки провода, вентиляции. Однако с точки зрения приведенной методики считается, что для различных ПР более оптимальными будут несколько отличные соотношения между количеством витков катушек и площадью сечения магнитопровода, хотя, в любом случае, выходная мощность остается неизменной, рассчитанная на заданный ток I 2 . Ничто не мешает принять ПР, скажем, 60% или все 100%, а эксплуатировать трансформатор на меньшем значении, как на практике обычно и происходит. Хотя, лучшее сочетание обмоточных данных и геометрии трансформатора обеспечивает выбор значения ПР пониже.
Для выбора числа витков обмоток трансформатора рекомендуется пользоваться эмпирической зависимостью электродвижущей силы одного витка E (в вольтах на виток):
E = 0,55 + 0,095 × P дл (P дл в кВт)
Е = 0,55 + 0,095 × 3,58 = 0,89 В/виток
Эта зависимость справедлива для широкого диапазона мощностей, однако наибольшую сходимость результатов дает в диапазоне 5-30 кВт.
Количество витков (сумма обеих половин) первичной и вторичной обмоток определяются соответственно:
N 1 = U 1 /E; N 2 = U 2 /E
N 1 = 220/0,89 = 247; N 2 = 50/0,89 = 56
Номинальный ток первичной обмотки в амперах:
I 1 = I 2 × k m /n
где k m =1.05-1.1 - коэффициент, учитывающий намагничивающий ток трансформатора; n = N 1 /N 2 - коэффициент трансформации.
n = 247/56 = 4,4
I 1 = 160 × 1,1/4,4 = 40 А
Сечение стали сердечника трансформатора (см 2) определяется по формуле:
S = U 2 × 10000/(4.44 × f × N 2 × B m)
S = 50 × 10000/(4.44 × 50 × 56 × 1,5) = 27 см 2
где f=50 Гц - промышленная частота тока; B m - индукция магнитного поля в сердечнике, Тл. Для трансформаторной стали индукция может быть принята B m =1.5-1.7 Тл, рекомендуется принимать ближе к меньшему значению.
Конструктивные размеры трансформатора приведены применительно к стержневой конструкции магнитопровода. Геометрические параметры магнитопровода в миллиметрах:
- Ширина пластины стали из пакета магнитопровода
a=(S×100/(p 1 ×k c)) 1/2 =(27×100/(2×0,95)) 1/2 =37,7 мм . - Толщина пакета пластин плеча магнитопровода
b=a×p 1 =37,7×2=75,4 мм . - Ширина окна магнитопровода
c=b/p 2 =75,4×1,2=90 мм .
где p 1 =1.8-2.2; p 2 =1.0-1.2. Измеряемая по линейным размерам сторон собранного трансформатора площадь сечения магнитопровода будет несколько больше рассчитанного значения, надо учитывать неизбежные зазоры между пластинами в наборе железа, и равняется:
S из = S/k c
S из = 27/0,95 = 28,4 см 2
где k c =0.95-0.97 - коэффициент заполнения стали.
Значение (a) подбирается ближайшее из сортамента трансформаторной стали, конечное значение (b) корректируется с учетом ранее выбранного (a), ориентируясь на полученные значения S и S из.
Высота магнитопровода методикой строго не устанавливается и выбирается исходя из размеров катушек с проводом, крепежных размеров, а также учитывается расстояние между катушками, которое выставляется при подстройке тока трансформатора. Размеры катушек определяются сечением провода, количеством витков и способом намотки.
Сварочный ток можно регулировать, перемещая секции первичной и вторичной обмоток относительно друг друга. Чем больше расстояние между первичной и вторичной обмотками, тем меньшим будет выходная мощность сварочного трансформатора.
Таким образом, для сварочного трансформатора со сварочным током 160А были получены значения основных параметров: суммарное количество витков первичных катушек N 1 =247 витков и измеряемая площадь сечения магнитопровода S из =28,4 см 2 . Расчет с теми же исходными данными, кроме ПР=100% даст несколько иные соотношения S из и N 1: 41,6 см 2 и 168 соответственно для того же тока 160А.
На что нужно обратить внимание, анализируя полученные результаты? Прежде всего, в этом случае соотношения между S и N для определенного тока действительны только для сварочного трансформатора, изготовленного по схеме с увеличенным магнитным рассеиванием. Если бы мы применили значения S и N, полученные для этого типа трансформатора, для другого трансформатора - построенного по схеме силового трансформатора (см. рисунок ниже), то выходной ток при тех же значениях S и N 1 значительно возрос бы, предположительно в 1,4-1,5 раза или пришлось бы примерно во столько же раз увеличить количество витков первичной катушки N 1 для сохранения заданной величины тока.
Сварочные трансформаторы, у которых секции вторичной катушки намотаны поверх первичной, получили значительное распространение при самостоятельном изготовлении сварочных аппаратов. Магнитный поток у них более сконцентрирован и энергия передается более рационально, хотя это приводит к ухудшению сварочных характеристик, которые однако, можно выправить дросселем или балластным сопротивлением.
Упрощенный расчет сварочного трансформатора
Неприемлемость во многих случаях стандартных методик расчета заключается в том, что они устанавливают для конкретной мощности трансформатора только единые значения таких основных параметров, как измеренная площадь сечения магнитопровода (S из) и количество витков первичной обмотки (N 1), хотя последние и считаются оптимальными. Выше было получено сечение магнитопровода для тока 160А, равное 28 см 2 . На самом деле сечение магнитопровода для той же мощности может варьироваться в значительных пределах - 25-60 см 2 и даже выше, без особой потери в качестве работы сварочного трансформатора. При этом под каждое произвольно взятое сечение необходимо рассчитать количество витков, прежде всего первичной обмотки, таким образом, чтобы получить на выходе заданную мощность. Зависимость между соотношением S и N 1 близка к обратно пропорциональной: чем больше площадь сечения магнитопровода (S), тем меньше понадобиться витков обеих катушек.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 см 2 . 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):
N 1 = 7440 × U 1 /(S из × I 2)
Для трансформаторов с разнесенными обмотками (рисунок ниже, б):
N 1 = 4960 × U 1 /(S из × I 2)
где N 1 - примерное количество витков первичной обмотки, S из - измеренное сечение магнитопровода (см 2), I 2 - заданный сварочный ток вторичной обмотки (А), U 1 - 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.
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):
N 2 = 0,95 × N 1 × U 2 /U 1
где U 2 - желаемое напряжение холостого хода на выходе вторичной обмотки (45-60В), U 1 - 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 см 2). 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 см 2 . При этом количество витков обмоток будет различаться тоже примерно в два раза: для 30 см 2 придется мотать в два раза больше провода, чем для 60 см 2 . 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 см 2 , не желательны также сечения выше 60 см 2 .
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.
Постепенно увеличивая напряжение на обмотке, можно получить зависимость тока от питающего напряжения. Она будет иметь следующий вид.
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.
При использовании содержания данного сайта, нужно ставить активные ссылки на этот сайт, видимые пользователями и поисковыми роботами.
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 для сварки. Зная заранее, какими должны быть номинальная сила тока, напряжение на первичной и вторичной обмотках, а также другие параметры (), 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. сайт
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.
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.
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.