Особенности устройства сварочного трансформатора

Современному человеку тяжело представить себе создание и возведение металлических конструкций без использования сварки. Данный метод позволяет качественно и надежно соединять между собой металлические детали.

В результате технология сварки получила широкое распространение и в промышленности, и в быту. Сердцем сварочного аппарата является трансформатор. Его задача заключается в преобразовании электричества сети до необходимого значения.

Роль трансформатора в сварке

Сварочные трансформаторы переменного тока используются в ручной дуговой сварке с применением штучных электродов, в механизированной сварке с использованием флюса и в аргонодуговой для соединения деталей из алюминиевых сплавов.

Назначение сварочного трансформатора заключается в формировании необходимого для сварки значения напряжения, определенных постоянных внешних характеристик и в регулировке сварочного тока.

Требования, предъявляемые к внешним параметрам, определяются на основе таких показателей:

• тип электрода – это может быть плавящийся или неплавящийся стержень;
• характер рабочей среды – открытая дуга, дуга под флюсом, в защитном газе;
• степень автоматизации сварочного процесса – ручная, автоматическая, полуавтоматическая;
• способ регулирования механизма горения – саморегулирование, автоматическое.

Ручная дуговая сварка стержнями с покрытием, аргонодуговая с неплавящимся вольфрамовым электродом, механизированная под флюсом на автоматах с контролем скорости подачи присадочной проволоки в зависимости от величины напряжения дуги – методы соединения металлических деталей, в которых применяется падающая вольтамперная характеристика.

Падающая вольтамперная характеристика подразумевает работу аппарата в режиме регулятора сварочного тока. Исходя из технологических и экономических соображений используется плавно-ступенчатое регулирование.

Такой тип управления предполагает две и более ступени регулирования, сочетающиеся с плавным изменением величины тока в каждой ступени.

Жесткая вольтамперная характеристика используется в автоматической сварке под флюсом при постоянной скорости подачи присадочной проволоки, независимо от напряжения дуги.

Источник питания в таком случае работает в качестве регулятора напряжения.

Изменение величины напряжения может быть:

• плавным;
• ступенчатым;
• смешанным.

Величина сварочного тока зависит от скорости, с которой подается электродная проволока. Источник питания, в свою очередь, устанавливает напряжение дуги и обеспечивает саморегулирование ее длины.

В зависимости от количества фаз выделяют:

1. Однофазный сварочный трансформатор – модель, работающая только при напряжении 220 В.
   Предназначен для бытовых нужд.
2. Трехфазный трансформатор – работает при напряжении сети 380 В.
   Такие модели способны обеспечить на выходе большую силу тока, что делает возможным соединение металлических деталей большой толщины.

Устройство трансформатора

Данное устройство является основным прибором, обеспечивающим питание сварочного процесса. Обычно в нем используется понижающий принцип действия. Это связано с тем, что напряжение сети слишком велико и его необходимо понизить до нужной величины.

Естественно, каждый процесс сваривания в зависимости от особенностей материалов требует определенные параметры трансформатора. В результате это отображается в принципе действия и особенностях конструкции трансформатора.

Изменения касаются регулировки параметров. В каждом конкретном случае требуется определенный подход. Например, работа с тонкими металлическими изделиями предполагает точную настройку параметров, чтобы исключить возможность перепалить детали.

Многие модели характеризуются практически одинаковым набором функций и состоят из одних и тех же узлов, а главное отличие между ними заключается в размерах.

В результате становится возможным изготовление однотипных приборов, имеющих различные диапазоны регулировки по максимальному току и напряжению, что, в свою очередь, будет определять и диаметры электродов, с которыми можно работать.

Также в трансформаторе может находиться и выпрямитель. Его главной задачей является преобразование переменного тока сети в постоянный. В результате сварку можно будет выполнять более качественно. В таком случае схема устройства будет включать еще один элемент.

В других случаях устройство трансформаторов может существенно отличаться из-за принципа регулировки напряжения, несмотря на выполнение одних и тех же функций их строение различно.

Существует несколько основных вариантов регулировки:

• изменением расстояния между первичной и вторичной обмоткой;
• за счет подвижного шунта, изменяющего расстояние зазора;
• благодаря секционной обмотке.

Что касается простых пользователей, то для них, вне зависимости от варианта устройства, все сводится к простому повороту ручки.

Кроме перечисленных выше особенностей устройства данного прибора, в нем могут быть реализованы и дополнительные элементы, такие как: вентиляция, система автоотключения, средства для перемещения и транспортировки. Тем не менее указанные элементы влияют на комфорт использования прибора, а не на его принцип работы.

Чтобы лучше понять устройство сварочного трансформатора, его лучше рассматривать на примере конкретной модели. Одним из вариантов является сварочный трансформатор ТДМ, выпускаемый в широком модельном ряду.

Данное оборудование применяется для понижения напряжения сети до необходимого значения. Конечно же, для различных режимов и холостого хода необходимо различное напряжение, в связи с чем в этом аппарате имеется возможность регулировки параметров, что позволяет добиться нужных характеристик.

Устройство и обслуживание сварочного трансформатора ТДМ такое же, как и у многих других моделей. По сути данный аппарат является регулируемым источником питания сварочного процесса.

Он позволяет осуществлять сварку тонкого металла и более толстых деталей, в зависимости от параметров техники и режимов. Данный аппарат может быть классифицирован по следующим признакам.

Тип подключения:

• возможность подключения к обычной бытовой сети с обыкновенной розеткой, что делает возможным его использование в домашних условиях;
• трехфазные аппараты являются более сложными в подключении и применяются в основном в промышленных целях, кроме того такие устройства отличаются более высокой мощностью.

В зависимости от назначения выделяют:

• бытовые аппараты, предназначенные для простых вариантов ручной дуговой сварки, осуществляемой обыкновенными электродами с покрытием;
• промышленные – устройства способные питать сразу несколько рабочих мест одновременно.

Кроме того, существуют и отличия в принципе регулировки напряжения. Выделяют устройства с нормальным рассеиванием магнитного поля, обычно это тиристорные трансформаторы. Такие аппараты применяются в сварке с использованием флюса.

С увеличенным рассеянием существует большее количество моделей, к которым относятся аппараты с подвижным шунтом, подвижной катушкой, а также устройства с секционной обмоткой.

Обычно трансформатор переменного тока имеет следующее устройство:

• первичная обмотка, на которую подается ток из сети;
• вторичная обмотка;
• подвижный элемент замкнутого магнитопровода;
• система подвеса аппарата;
• движущийся винт, позволяющий регулировать воздушный зазор между обмотками;
• рукоять винта управления.

Естественно, приведенное выше устройство не является единственным вариантом исполнения. Это всего лишь один из наиболее распространенных и популярных вариантов трансформатора с подвижными обмотками.

Если необходимо сделать самодельный сварочный трансформатор, тогда нужно, чтобы в нем были реализованы следующие элементы:

1. Центральная часть – магнитопровод, изготавливаемый из нескольких пластин, гальванически разъединенных между собой.
   Самодельные сердечники делают из электротехнической стали, которую можно взять из «донорской» техники.
2. Обмотки из изолированного провода размещаются на сердечнике.
   Длина провода, его сечение и количество витков непосредственно влияет на характеристики аппарата.
3. Регулировку тока можно осуществлять, используя различные решения, приведенные ранее.
   Речь идет про подвижный шунт, обмотки и т.д.
4. В целях защиты устройства его помещают в корпус.
5. Не стоит забывать и про дополнительные элементы, такие как: вентиляция, ручки для более комфортной транспортировки и т.д.

Можно также соединить два трансформатора своими руками с разделением первичной обмотки на две.

Принцип работы

Принцип работы сварочного трансформатора заключается в снижении напряжения сети до необходимого значения в 60-80 В и повышении силы тока до 40-500 А. Чаще всего такие устройства поддерживают переменный ток. Тем не менее существуют и другие варианты, выдающие постоянный ток. Их называют выпрямителями.

Устройство и принцип действия сварочного трансформатора основаны на едином принципе. После подключения к сети по первичному контуру проходит переменный ток, создающий магнитный поток. В обмотках индуцируется ЭДС, зависящая от количества витков провода.

Так, если намотать на первую обмотку сто витков, а на вторую – 5, то коэффициент трансформации в таком случае будет равен двадцати. В результате после подключения прибора в обычную бытовую сеть, он на выходе будет выдавать одиннадцать вольт, т.е. значение в двадцать раз меньшее, чем в сети.

Изменить нагрузку можно путем изменения зазора магнитопровода. Если зазор будет больше, сила тока уменьшится и наоборот. Количество витков будет определять напряжение вторичной обмотки. Таким образом, такая характеристика сварочного трансформатора, как количество витков, является очень важной.

Работа на холостом ходу

Выше было описано устройство и назначение сварочного трансформатора. Теперь настало время поговорить о таком функционировании агрегата, как холостой ход.

Во время формирования шва, между металлической деталью и электродом, замыкается вторичная обмотка. Под действием электричества металл плавится, в результате чего части заготовки надежно соединяются между собой. После окончания работы вторичная цепь размыкается. Сварка закончена и аппарат переходит в режим холостого хода.

Электродвижущая сила вначале появляется благодаря магнитному полю. Затем ЭДС поддерживается за счет рассеивания.

Электродвижущая сила замыкается между витками катушки в воздушном пространстве и образует показатели холостого напряжения. Холостой ход ограничен величиной в 48 В и считается безопасным для жизни рабочего. Однако в некоторых моделях устройств это значение может быть увеличено и до 70 В.

Если параметры холостого хода превышают установленные величины, тогда используется автоматическое ограничение, которое срабатывает сразу после окончания сварки из трансформатора. Кроме того корпус прибора должен быть заземлен. Такой простой момент увеличит безопасность работы мастера.

Схема конструкции и ее модификации

Помимо стандартного варианта устройства данного аппарата, возможно наличие и некоторых дополнительных узлов, позволяющих в определенной степени усовершенствовать агрегат.

Схема сварочного трансформатора может быть дополнена:

• вторичными намотками;
• конденсаторами;
• стабилизаторами;
• тиристорными фазорегуляторами.

Кроме того, в схему может быть добавлено сопротивление, позволяющее регулировать силу тока, когда разведение катушек уже не дает необходимого результата. Данный вариант устройства сварочного аппарата отлично подойдет для работы с тонким металлом.

Сопротивление может быть выполнено в виде отдельного блока с набором контакторов, задающих необходимую величину Ом.

Стоит отметить, что с того времени, как впервые была открыта электрическая дуга и создан первый сварочный агрегат, прошел не один десяток лет. На протяжении всего этого времени способы сварки, а вместе с ними и оборудование, постоянно совершенствовались.

На данный момент существует несколько вариантов, отличающихся различной сложностью конструкции и принципом работы. Когда речь заходит про возможность изготовить сварочный аппарат своими руками, то следует выделить два основных наиболее популярных варианта сварки: контактную и дуговую.

Трансформаторы дуговой сварки получили наиболее широкое распространение среди народных мастеров.

Причин данному явлению существует несколько:

• широкий диапазон применения;
• достаточно простая конструкция, отличающаяся высокой надежностью;
• мобильность и простота использования.

Однако подобная модификация обладает и некоторыми недостатками, главным из которых является низкий коэффициент полезного действия и зависимость качества сварки от навыков рабочего.

Ремонтные и строительные работы, возведение металлических конструкций, сварка труб – это лишь некоторые области человеческой жизнедеятельности, в которых ручная дуговая сварка применяется наиболее широко.

Кроме того, данный метод позволяет не только осуществлять соединение различных металлических деталей, но и резать их.

Конструкция подобных агрегатов достаточно проста. Они состоят из трансформатора с первичной и вторичной обмоткой, регулятора силы тока, держателя электродов и зажима массы.

Конечно же, главным узлом подобных приборов является непосредственно трансформатор. Конструкция этого элемента может быть различной, однако самым популярным является тороидальный трансформатор с П-образным магнитопроводом.

Такой узел устроен следующим образом: намотка сварочного трансформатора выполнена из медного или алюминиевого провода. Количество витков, а также толщина провода зависит от требуемых характеристик аппарата.

Точечная сварка или, как ее называют, контактная, несколько отличается от дуговой. Естественно, главное различие заключается в самом методе. В дуговом варианте плавление происходит под воздействием электрической дуги, которая появляется между электродом и поверхностью металлической детали.

В контактной сварке происходит локальный нагрев изделия в месте соединения за счет прохождения тока между двумя электродами. Металл в таком варианте также расплавляется и соединяется, однако это происходит только в месте контакта электрода с изделием.

Данный способ соединения металлических заготовок получил широкое распространение в автомобильной промышленности, строительстве и т.д.

Кроме самой методики отличия имеются и в конструкции центрального элемента данного аппарата. В первую очередь тут отсутствуют наплавочные электроды. Вместо них применяются медные заточенные стержни, между которыми устанавливают соединяемые изделия.

Трансформаторы в таких агрегатах отличаются значительно меньшей мощностью. Также наличие конденсаторов в подобном устройстве обязательно, в то время как в электродуговых аппаратах можно обойтись и без них.

Тем не менее в независимости от того, какой трансформатор будет использован, главное знать его характеристики. Также важно понимать, за что они отвечают и как их можно поменять. Ниже в таблице представлены некоторые параметры данного элемента.

Параметры	Тип трансформатора
	СП-1	ТСП-2	СТШ-500	ТС-500	ТД-500	ТД-300	ТД-304	ТДП-1
Напряжение сети, В	220/380	220/380	380	220/380	380	380	380	220/380
Номинальный ток, А	160	300	500	500	500	300	300	160
Интервал изменения сварочного тока, А	От 105 до 180	От 90 до 300	От 145 до 650	От 165 до 650	От 80 до 700	От 60 до 400	От 60 до 385	От 55 до 175
Номинальное напряжение дуги, В	25	30	30	30	30	30	35	26,4
Напряжение холостого хода, В	65-70	62	60	60	60-76	61-79	61-79	68
Номинальная мощность, кВ*А	12	19,4	33	32	32	19,4	19,4	11,4
КПД устройства	0,750	0,760	0,90	0,850	0,870	0,860	0,870	0,720
Коэффициент мощности cosϕ	0,46	0,6	0,53	0,53	0,53	0,51	0,6	0,65
Размеры, мм
Длина	254	510	670	840	515	692	692	435
Ширина	424	370	666	576	725	620	620	290
высота	435	590	753	1060	815	710	710	535
Масса, кг	38	65	220	250	210	137	137	38

Важной характеристикой является также количество фаз и напряжение сети. В домашних условиях наиболее простым является использование однофазного аппарата, способного работать от бытовой сети. В этой связи именно такие варианты получили наиболее широкое распространение среди умельцев, изготавливающих их самостоятельно.

Однако возможно использование и трехфазного сварочного трансформатора, который питается от сети 380 В. Данная характеристика является основной при создании и проектировании сварочного агрегата.

Номинальный сварочный ток определяет возможности аппарата в сваривании и резке металлических деталей различной толщины. Если речь идет о самодельном трансформаторе, тогда в них величина данного параметра не превышает двухсот ампер. На практике этого вполне достаточно для выполнения практически любых работ, которые могут появиться быту.

Также следует отметить, что большее значение номинального тока приведет к увеличению массы аппарата. Например, промышленный трансформатор, способный обеспечить ток в тысячу ампер, весит около трехсот килограмм.

Соединение металлических изделий различной толщины требует определенного значения силы тока, в противном случае металл попросту не расплавится и не соединится. В этих целях в аппаратах предусмотрено наличие регулятора, позволяющего задавать сварочный ток.

Обычно интервал регулировки определяется потребностями применения электродов заданного диаметра. В самодельных устройствах диапазон значений тока может варьироваться от 50 до 200 ампер.

Соединение металлических заготовок различной толщины с помощью одного и того же устройства требует не только контроля величины номинального тока, но и использования электродов различного диаметра.

Следует хорошо представлять для себя тот факт, что сварка тонкими электродами требует меньшего значения величины номинального сварочного тока, а работа с толстыми электродами – наоборот, больших величин. Тоже самое относится и к толщине металла.

Как уже было отмечено ранее, сварочный трансформатор работает на понижение напряжения электрической сети. На выходе устройство выдает напряжение порядка восьмидесяти вольт. Так, в дуговой сварке интервал значений варьируется в пределах двадцати-семидесяти вольт.

Важно понимать: данный параметр нельзя регулировать, он задается изначально.

Устройства для точечной сварки предполагают еще более низкое значение напряжения от полутора до двух вольт. Это вполне закономерно, исходя из связи величины напряжения с силой тока. Чем больше ток, тем меньше будет напряжение.

Ключевой характеристикой устройства является номинальный режим работы. Он определяет продолжительность беспрерывной работы, а также время, необходимое для остывания.

В самодельных приборах данный показатель обычно находится на уровне тридцати процентов. Это значит, что в течении десяти минут можно беспрерывно работать только три минуты, а остальное время аппарат должен «отдыхать».

Потребляемая и выходная мощность – не столь важные параметры. Тем не менее на их основе можно рассчитать коэффициент полезного действия. Естественно, чем меньше различие в данных характеристиках тем выше производительность.

Напряжение холостого хода является важным критерием для дуговой сварки. При более высоких значениях этого параметра вызвать дугу проще. Выше уже упоминалось о том, что обычно данное значение не превышает восьмидесяти вольт.

Обойтись без принципиальной схемы данного устройства при его самостоятельном изготовлении просто невозможно. По большому счету в конструкции прибора не должно возникнуть особых трудностей, особенно если речь идет про дуговой метод соединения изделий.

С развитием микроэлектроники и электротехники схема трансформатора совершенствовалась. В интернете можно без проблем найти принципиальную схему данного узла. На ней обязательно будут присутствовать различные диодные мосты, регуляторы и, возможно, блоки сопротивления.

Что касается схемы, соответствующей аппарату точечного соединения металлических заготовок, то она существенно сложнее. На ней можно встретить конденсаторы, тиристоры и диоды. Все эти элементы позволяют более тонко контролировать силу тока, а также время сварки.

Существует множество различных схем. Ознакомиться с ними можно как во всемирной паутине, так и в специализированных журналах или книгах.

Расчёт

Ранее уже говорилось о том, что трансформатор для сварки состоит из сердечника, первичной и вторичной обмотки. Именно эти узлы и определяют основные рабочие параметры прибора.

Необходимо заранее определиться с тем, какими должны быть напряжение на обмотках, номинальный ток и т.д. Основываясь на этих значениях следует провести расчет обмоток, сердечника и сечения провода.

В расчете необходимо использовать такие величины, как:

• напряжение сети, являющееся напряжением первичной обмотки U1;
• напряжение вторичной обмотки U2, величина которого не должна быть меньше восьмидесяти вольт;
• номинальная сила тока вторичной обмотки I, определяемая исходя из толщины металла и электродов, с которыми предстоит работать;
• сечение сердечника Sc, площадь которого определяет надежность прибора;
• площадь окна сердечника So выбирается исходя из расчета хорошего магнитного рассеяния, отвода избытка тепла и удобства намотки провода;
• плотность тока А/мм2 – важный параметр, определяющий электропотери в обмотках.

Чтобы лучше представлять специфику расчета параметров трансформатора, следует рассмотреть весь этот процесс на примере. Предположим, что известны следующие данные: U1=220 В, U2=60 В, I= 180 А, Sc=45 см2, Sо=100 см2, и плотность тока 3 А/мм2.

В первую очередь следует определить мощность: P = 1,5*Sс*So = 1,5*45*100 = 6750 Вт или 6,75 кВт.

Затем устанавливается необходимое количество витков в первичной и вторичной обмотке. Данное значение определяется из количества витков на один вольт: K = 50/Sс = 50/45 = 1,11; и максимальной силы тока на первичной обмотке: Imax = P/U = 6750/220 = 30,7 А.

После того, как будут получены значения данных параметров, можно определить количество витков на вторичной обмотке: W2 = U2*K = 60*1,11 = 67 витков.

Расчет витков в первичной обмотке рассчитывается по другой формуле, которая будет указана ниже.

Нередко в случае необходимости расчета тороидального трансформатора определяют ступени регулирования силы тока. Это необходимо для вывода провода на определенном витке. Определить такую характеристику можно по формуле : W1ст = (220*W2)/Uст.

Но для начала следует установить напряжение каждой ступени. Сделать это можно исходя из простого соотношения U=P/I.

Например, нужно сделать четыре ступени на 90, 100, 130 и 160 ампер. Мощность устройства составляет 6750 Ватт. Воспользовавшись приведенным соотношением, получим: 75, 67,5, 52, 42,2 вольт. Затем данные подставляются в выражение для ступеней.

В результате получим такие значения: 197, 219, 284, 350 витков. К последней величине следует добавить еще 5 процентов. В результате количество витков составит 385.

В конечном итоге нужно определить сечение провода на обмотках. Чтобы получить это значение необходимо максимальный ток обмотки разделить на плотность тока.

Приведенный выше расчет достаточно прост. Он не вызовет труда ни у одного мастера. Однако порой даже на такие простые вещи не хочется терять время. Также всегда существует вероятность того, что в каком-то действии может быть допущена машинальная описка или опечатка, что приведёт к серьезным последствиям.

Обезопасить себя и сберечь время поможет онлайн калькулятор, позволяющий произвести все описанные выше расчеты автоматически.

После того, как будут произведены все расчеты и при наличии схемы, можно приступать к сборке устройства. Сложной работу не назовешь, однако она потребует определённой усидчивости. Это связано с необходимостью четкого подсчета количества витков.

Выше уже говорилось о высокой популярности именно тороидального варианта устройства, однако далее будет рассмотрен случай трансформатора с П-образным сердечником. Данная модификация отличается большей простотой, именно поэтому она и выбрана.

В первую очередь необходимо изготовить каркасы для обмоток. В этих целях можно использовать текстолитовые плиты. Данный материал нетрудно найти, так как он широко применяется при создании плат. Из них собираем каркасы и изолируем их термостойкой изоляцией. Затем делаем обмотку.

После того, как будет уложен слой, его необходимо заизолировать и только после этого приступать к укладке следующего. По завершению данного процесса на концах отводов закрепляются медные болты.

После формирования обмотки собирается магнитопровод. В качестве материала используется железо, созданное специально в этих целях. Металл характеризуется определенными значениями магнитной индукции, и неправильная марка стали способна все испортить.

Металлические пластины для сердечника можно снять со старых устройств или приобрести по отдельности. Сами пластины имеют толщину около одного миллиметра, и сборка всего сердечника потребует лишь терпеливого соединения всех пластин в единое целое. По завершению следует проверить все обмотки тестером на предмет ошибок.

Высококачественный самодельный трансформатор может не получиться с первого раза. Виной этому могут быть различные ошибки связанные с неправильными расчетами и отсутствием практики сборки подобных устройств.

Если процесс расчета можно существенно упростить с помощью онлайн калькулятора, то опыт можно получить только методом проб и ошибок. Со временем, после нескольких попыток, создание высококачественного устройства своими руками уже не будет представлять особого труда.

Итог

Трансформатор является центральным узлом любого сварочного аппарата. Его главная задача – снижение напряжения и одновременное повышение силы тока до необходимого значения. Благодаря этому становится возможным соединение металлических изделий между собой.

Устройство сварочного трансформатора является достаточно простым. На данный момент в интернете можно найти большое количество схем реализации данного элемента. Так что его можно собрать даже в бытовых условиях. Однако для этого необходимо правильно выполнить расчет сварочного трансформатора.