Устройство и принцип действия сварочного трансформатора

Устройство и принцип действия сварочного трансформатораСварочные трансформаторы — это конструкции для ручной, автоматической, дуговой сварки деталей. Их условно можно разделить на бытовые и профессиональные аппараты в зависимости от технических характеристик. Получаемое электричество перерабатывается до нужного значения для устройства. Принцип действия сварочного трансформатора в этом и заключается. Аппарат состоит из нескольких узлов, которые вместе образуют электрическую дугу.

Конструкция устройства

Схема устройства не является сложной. Многие пользователи способны самостоятельно заняться сборкой такой конструкции. Самая простая схема сварки будет работать на одной фазе. Но этого более чем достаточно.

Она состоит из трёх составляющих:

  • магнитный привод или сердечник;
  • первый слой обмотки;
  • второй слой обмотки.

Таким элементом, как магнитный привод или сердечник, является деталь из ферромагнитного сплава с замкнутым контуром. Первый слой обмотки соединяется с сетью, а второй направляется на массу и держатель электрода, которым непосредственно осуществляется сварка. При этом контур теряет сопротивление, а электромагнитная связь повышается.

Но это конструкция самой простой модели. Более профессиональные модели имеют и дополнительные элементы, такие как дроссель и другие.

Полная конструкция обыкновенного сварочного трансформатора состоит из следующих элементов:

  • сердечник;
  • держатель коробки;
  • зажим для сцепки проводов;
  • металлический ящик;
  • жалюзи для охлаждения;
  • рукоятка;
  • болт;
  • крышка конструкции;
  • вертикальный винт;
  • винтовая гайка;
  • первичная и вторичная обмотка трансформатора.

Принцип работы аппарата

Работает сварочный трансформатор по такому алгоритму: постепенно понижается напряжение до 55−80 В, и в то же время повышается сила тока до 50−450 ампер. В работе подобная конструкция в основном функционирует благодаря принципу переменного тока. Но есть и альтернативные модели, которые выдают постоянный ток. Также встречаются названия — выпрямительные сварочные аппараты.

Устройство и принцип действия сварочного трансформатораРаботает оборудование похожим образом. После соединения с сетью по первичному контуру проходит переменный ток, который и создаёт магнитное поле. И в первой, и второй обмотке проходит электрическая сила. Её можно определить в зависимости от количества витков обмотки.

К примеру, первая обмотка имеет 200 витков, а вторая 10. Коэффициент в этом случае выходит 200:10 = 20. Когда такое оборудование подключаем к обычной сети, то на выходе мы получим примерно одиннадцать ватт.

Для смены нагрузки сварки зачастую меняют зазор магнитного привода. Если зазор увеличить, то сила тока уменьшится. Если уменьшить зазор, то, соответственно, увеличится. Подобрать нужное напряжение можно, узнав количество витков.

Из чего состоит сварка

Такое устройство, как сварка, позволяет понизить напряжение и в этот же момент увеличить силу тока. Это и даёт возможность нагревать металл до нужной для его плавления температуры. Параметры силы и напряжения определяются в момент проектирования и создания трансформаторной сварки. Под определённые функции аппарат оборудуется специальными деталями, которые и определяют назначение работы конструкции.

Кроме первой и второй обмоток и магнитного привода, трансформатор имеет такие детали, как винт с вертикальной резьбой и рукоятка, позволяющая ему вращаться, винтовая гайка и зажимы. Также сварка оборудована корпусом с вентиляцией и подвесной системой, которая защищает сварку от внешних повреждений.

В трансформаторах, работающих по принципу переменного тока, есть и другие детали, позволяющие облегчить работу мастера.

Дополнительные узлы аппарата

Трансформатор для сварки как однофазный, так и трёхфазный и выпрямляющий, может иметь и определённое количество дополнительных узлов. С их помощью аппарат будет работать более качественно.

В качестве дополнительных узлов могут выступать:

  • дополнительные обмотки;
  • стабилизаторы;
  • конденсаторы;
  • регуляторы фаз.

Некоторые конструкции оборудованы подвижным шунтом. Расстояние между обмотками меняется за счёт образования новой детали, а не за счёт движения второго слоя обмотки. Дополнительной деталью является шунт, который будет менять зазор между обмотками. Ещё одна обмотка даст возможность регулировки напряжения.

И заводские профессиональные модели, и бытовые, как правило, требуют дополнительного сопротивления. Профессиональные мастера могут произвести соответствующую регулировку. Специальные возможности возникают и без разведения обмоток. Опытный мастер может сделать, таким образом, тонкие или толстые швы.

Подобное сопротивление может быть сделано в виде цельного корпуса. В нём расположены различные контакты, с помощью которых можно регулировать сопротивление.

Различные виды конструкции

Принцип действия бытового или профессионального образца определяет то, какими техническими характеристиками владеет определённый прибор. В связи с этим образовалось множество принципов и факторов классификации подобной аппаратуры. Например, на многопостные и однопостные. Последние предназначены исключительно для бытового использования. Они рассчитаны на инвертор в 3−9 кВт. Домашние сети не рассчитаны на мощность более 10 кВт.

В отличие от предыдущих, многопостные конструкции имеют сложное строение. Они считаются профессиональными и применяются с мощностью более 10 кВт. С одним таким аппаратом может одновременно работать до десяти человек.

Также можно разделить трансформаторы по фазному принципу на однофазный и трёхфазный аппарат. Существуют модели, которые могут переключаться на различное напряжение в сети.

Для применения в домашних условиях могут подойти однофазные агрегаты, а для профессионального уровня трёхфазные. По этому фактору можно определить и напряжение на выходе. Толстые детали можно сварить исключительно трёхфазным аппаратом, так как однофазные не смогу этого сделать.

Классифицировать можно также и по типу аппарата. В основном выделяют три лидирующие группы сварок:

  • Аппараты с минимальным рассеиванием магнитного поля. Характерно для такого аппарата наличие дросселя.
  • Конструкции с большим рассеиванием магнитного поля. Они имеют довольно сложную схему. Основные её детали — это несколько обмоток, конденсаторов и стабилизаторов. Не исключено присутствие и других дополнительных элементов.
  • Тиристорные конструкции. Оборудованы фазорегулятором. Характерные особенности и преимущества — это маленький вес, большая сила тока.
Читайте также:  Ножеточка своими руками размеры

Такую классификацию можно применять только к устройствам с переменным током. Сварочные трансформаторы постоянного тока к этому не относятся. Для подобных конструкций характерными особенностями являются большие габариты, сложная схема и наличие выпрямителя. Самодельный сварочный аппарат постоянного тока своими руками может сделать только профессионал.

Они являются более надёжными и удобными в работе. Такой сварочный аппарат считается профессиональным при условиях использования его на постоянном токе. Этим прибором можно работать с различными видами цветных металлов. Их стоимость довольно высока, и в связи с этим применяются для сварки только профессиональными мастерами. Домашние требования может исполнить и сварочный трансформатор переменного тока.

Все модели переменного тока можно сделать самостоятельно, как и трансформатор для полуавтомата своими руками. В качестве исходного материала можно использовать трансформаторы советского производства с двойной намоткой.

Холостой ход

Сварочные конструкции могут работать как под напряжением, так и в режиме холостого хода. Когда создаётся сварочный шов, между электродом и непосредственно объектом сварки замыкается второй слой обмотки. С помощью электрического тока металл плавится и соединяет две детали в одну конструкцию. Когда детали связаны между собой, аппарат прекращает работу и включает состояние ожидания (холостой ход).

Сборка конструкции своими руками

Все элементы будущей конструкции должны быть на отведённых местах и состоять из металла и текстолита.

Устройство и принцип действия сварочного трансформатораПо правилам сборки и большинству схем выпрямитель находится вблизи с трансформатором, а дроссель на одном уровне с выпрямителем. Регулятор напряжения должен находиться на панели аппаратного управления. Как основа для конструкции подойдёт и сталь, но рекомендуется использовать алюминий.

Можно использовать и приобретённый корпус для аппарата, например, основы для системного блока компьютера или т. п. Но главное — это прочность и надёжность конструкции.

Важно и то, что тиристоры должны размещаться на отдельной плате и далеко от трансформатора. Далеко от него также должен быть расположен выпрямитель.

Причиной такому расположению является сильное нагревание дросселя и непосредственно трансформатора.

Устройство и принцип действия сварочного трансформатора

Устройство и принцип действия сварочного трансформатораСварочные трансформаторы являются агрегатами переменного тока, и предназначены для преобразования тока от исходной линии электропередачи в ток более низкого напряжения, но той же частоты во вторичной обмотке. Поскольку ток во вторичной обмотке при этом резко возрастает, то данный эффект применяется для обеспечения скоростного нагрева поверхности заготовки. Поэтому сварочные трансформаторы, как и сварочные выпрямители, широко используются для контактной и дуговой электросварки.

Устройство и принцип работы

Основной параметр сварочного трансформатора — его реактивная мощность, которая измеряется в киловольт-амперах. Она определяет количество энергии, которое трансформатор может обеспечить за некоторое время (обычно одну минуту), без превышения его номинальной температуры.

Принцип действия трансформатора заключается в использовании явления взаимной индуктивности между двумя цепями, которые связаны общим магнитным потоком. Основной трансформатор состоит из двух катушек, которые являются электрически раздельными, но связанными магнитно посредством стального сердечника. Эти катушки образуют первичные и вторичные обмотки и имеют высокую взаимную индуктивность. Слои сердечника соединяются в виде полосок, между которыми имеются узкие щели, проходящие прямо через поперечное сечение сердечника.

Устройство и принцип действия сварочного трансформатора

Взаимная электродвижущая сила (ЭДС) индуцируется в трансформаторе из переменного потока, который устанавливается в ламинированном сердечнике катушкой, связанной с источником переменного напряжения. Преобладающая часть переменного потока, создаваемого этой катушкой, связана с другой катушкой и, таким образом, создаёт взаимно индуцированную электромоторную силу. На основании законов Фарадея об электромагнитной индукции ЭДС сварочного трансформатора определяется по зависимости Е = — ΔВ/Δt, где ΔВ – изменение магнитного потока, Δt – промежуток времени, в течение которого происходит это изменение.

Если вторая катушка замкнута, в ней течёт ток, и, следовательно, электрическая энергия передаётся магнитно от первой ко второй катушке. Подача переменного тока подаётся на первую катушку, поэтому её именуют первичной обмоткой. Энергия же создаётся второй катушкой, которая является вторичной обмоткой трансформатора.

В результате данных операций сварочный трансформатор производит:

  1. Передачу электроэнергии из одной цепи в другую.
  2. Передачу электроэнергии без изменения частоты.
  3. Передачу с использованием принципа электромагнитной индукции.

Устройство и принцип действия сварочного трансформатора

Конструктивные элементы сварочного трансформатора

Обе катушки изолируются друг от друга и от стального сердечника. Поскольку сварочный трансформатор должен обладать большой мощностью, то он также нуждается в подходящем корпусе для собранного сердечника и обмоток, среды, с помощью которой можно изолировать сердечник и его обмотки, а также в устройстве интенсивного охлаждения обмоток. Чтобы изолировать и вывести клеммы обмотки из корпуса, используются втулки, изготовленные из сильного диэлектрика.

Во всех промышленных моделях сварочных трансформаторов сердечник изготовлен из пластин листовой трансформаторной стали. Этот материал представляет собой фактически чистое железо с повышенным содержанием кремния, что обеспечивает непрерывность магнитного потока при минимально допустимых значениях включённым минимумом воздушного зазора. Трансформаторная сталь обладает также высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями на гистерезис. Для обеспечения надлежащей прочности, пластины сердечника после штамповки подвергают термической обработке.

Устройство и принцип действия сварочного трансформатора

Обмотки трансформатора представляют собой диски, уложенные изоляционными пространствами между катушками. Эти изоляционные пространства образуют горизонтальные охлаждающие и изоляционные каналы. Для сердечников и катушек сварочных трансформаторов должна быть предусмотрена жёсткая механическая фиксация. Это поможет минимизировать вибрации агрегата, и уменьшить уровень шума, создаваемого при его работе. Качество, долговечность и эффективность управления основными функциями сварочного трансформатора определяют срок его службы.

Читайте также:  Усилитель для антенны харченко для цифрового тв

Все выводы трансформатора выводятся из корпусов через соответствующие втулки. Их конструкция и размеры устанавливаются в зависимости от передаваемой мощности.

Выбор между ядром и типом оболочки производится путём сравнения стоимости, поскольку аналогичные характеристики могут быть получены разными способами. Например, для увеличения пределов регулировки напряжения на сварочной дуге оболочки имеют увеличенную длину поворота катушки. Другими параметрами, которые сравниваются при выборе, считаются энергетические характеристики устройства, масса, условия пробоя изоляции, распределение тепла.

Схема и расчёт трансформатора

В ходе расчёта подлежат определению такие параметры:

  1. Эксплуатационные показатели: тип питающей сети, диапазон регулировки, фактическая мощность, продолжительность непрерывного действия.
  2. Размеры сварочного электрода.
  3. Условия непрерывной работы.
  4. КПД устройства.

Некоторые из перечисленных параметров взаимосвязаны, например, фазность и напряжение сети.

Ток сварки определяет функциональные возможности трансформатора, а именно, толщину свариваемого металла. Кроме того, с ростом тока увеличиваются диаметр проволоки в обмотках, масса агрегата и его размеры, что обусловлено необходимостью более эффективного охлаждения обмоток.

Устройство и принцип действия сварочного трансформатора

Соотношения между основными эксплуатационными характеристиками сварочных трансформаторов приведены ниже:

  • При толщине обрабатываемой заготовки 1…2 мм, номинальный диаметр электрода составляет 1,6 мм, а рекомендуемое значение тока – не более 50 А.
  • При толщине обрабатываемой заготовки 2…3 мм, номинальный диаметр электрода составляет 2…2,5 мм, а рекомендуемое значение тока – не более 100 А.
  • При толщине обрабатываемой заготовки 3…4 мм, номинальный диаметр электрода составляет 3 мм, а рекомендуемое значение тока – не более 160 А.
  • При толщине обрабатываемой заготовки 4…6 мм, номинальный диаметр электрода составляет 4 мм, а рекомендуемое значение тока – не более 200 А.
  • При толщине обрабатываемой заготовки 6…8 мм, номинальный диаметр электрода составляет 5 мм, а рекомендуемое значение тока – не более 250 А.
  • При толщине обрабатываемой заготовки 10…24 мм, номинальный диаметр электрода составляет 6…8 мм, а рекомендуемое значение тока – не более 320 А.
  • При толщине обрабатываемой заготовки более 24 мм, номинальный диаметр электрода составляет 8…10 мм, а рекомендуемое значение тока – не более 630 А.

Более детальный расчёт параметров сварочного трансформатора ведут обычно при изготовлении агрегата своими руками.

Устройство и принцип действия сварочного трансформатора

Модели сварочных трансформаторов

Модель ТС-500. Представляет собой агрегат для производства сварки в промышленных условиях. Рассчитан на работу в однофазных сетях, регулировка мощности производится механически. Конструкция проста, но обеспечивает необходимое качество работ лишь при использовании сравнительно больших токов, а потому малопригодна для сварки или резки тонколистового металла. Минусом считается массивность устройства. Цена – от 15500 руб.

Модель ТД-500. Характерная особенность конструкции – наличие подвижных обмоток, что обеспечивает увеличенное магнитное рассеивание. Большинство технических характеристик сходно с моделью ТС-500, однако масса агрегата снижена на 40 кг. Цена – от 18000 руб.

Модель ТДМ-305. Устройство переносного типа с естественным охлаждением обмоток. Может использоваться как на производстве, так и в быту. Наиболее эффективен при средних значениях сварочного тока, но при длительном применении стабильность работы понижается. Цена – от 8000 руб.

Модель ТДМ-401. Предназначена для выполнения ручной дуговой сварки средне- и толстолистовых деталей, и применяется преимущественно в производственных условиях. Прост в конструкции и управлении, для перемещения в пределах рабочего участка оснащён колёсами. При длительном применении нуждается в дополнительной вентиляции, а также в тщательном подборе сечения питающих кабелей. Цена – от 17000 руб.

Модель ТДМ-503. Рассчитана для применения в трёхфазных сетях, используется главным образом для сварки металла средней толщины. Вентиляция – естественная, что ограничивает длительность непрерывной работы. Трансформатор прост в обслуживании, однако не отличается стабильностью работы при значительных скачках напряжения в сети. Цена – от 24000 руб.

С появлением электричества появилась возможность соединять металлические элементы с помощью сварки. Для этого применяются специальные сварочные трансформаторы, работающие от трёхфазного и однофазного напряжения. Однофазные модели предназначены для включения в стандартную бытовую сеть 220 Вольт. А трехфазный сварочный аппарат, чаще всего, применяется в производственных целях, он обладает большой мощностью, габаритами и продолжительной эксплуатацией без перерыва. Однако есть на рынке данной техники и универсальные устройства, которые могут работать и от 220 В, и от 380В. Разумеется, что для разных материалов существует свой индивидуальный процесс сварки, поэтому каждый сварочный агрегат оборудован системой регулировки и точной настройки.

Принцип действия сварочного трансформатора

По принципу действия он не отличается от другого обычного понижающего трансформатора, только вот токи вторичной обмотке уж очень высокие, так как он работает в режиме короткого замыкания. Если закоротить вторичную обмотку обычного трансформатора, то в таком режиме он проработает недолго, так как она быстро перегреется и выйдет из строя. Вторичная обмотка сварочного рассчитана на большие токи, поэтому и выполнена медным проводом большого сечения. Напряжение U2 (на выводах вторичной обмотки) напрямую зависит от количества витков в ней.Устройство и принцип действия сварочного трансформатора

Конечно же, мало только уменьшить выходное напряжение, нужно ещё и изменять силу тока. Для этого трансформаторы оборудуются механизмом, раздвигающим обмотки на большее расстояние, тем самым снижая магнитный поток, который, в свою очередь, уменьшает ток во вторичной обмотке.

Устройство и классификация трансформаторов, применяемых в сварочных аппаратах

Любой трансформатор для сваривания металлических различных элементов состоит из:

  1. Магнитопровода;
  2. Изолированную первичную обмотку;
  3. Вторичная обмотка;
  4. Вентилятор, для охлаждения.

В зависимости от сварочных работ происходит и управление процессом сварки,все сварочные агрегаты делятся аппараты переменного и постоянного тока. Конечно же, сам трансформатор не может работать на постоянном токе поэтому сам процесс выпрямления осуществляется после понижения напряжения. Для этого применяются:

  • управляемые тиристоры, которые непросто дают постоянный ток для сварки элементов, но осуществляют изменение силы тока во время этого процесс;
  • неуправляемые вентили диоды, вместе с дросселем.
Читайте также:  Что такое варистор и для чего он

Назначение сварочного трансформатора

Сварочный понижающий трансформатор является ключевым элементом, создающим дугу во время сварки металлических деталей. Напряжение на выходе этого понижающего устройства, работающего в режиме короткого замыкания, допускается не более 80 Вольт. Для процесса ручной дуговой сварки обязательно нужны электроды. Бытовые трансформаторы для дома выполнены по однофазной схеме обладают небольшими токами при сваривании. Главное, в бытовых условиях также стоит следить и за наличием хорошего контакта в розетке, так как токи в первичной обмотке для квартир и домов тоже очень существенны и не каждая розетка их выдержит.

Сварочные трансформаторы переменного тока

Такая конструкция считается самой не дорогой, но в то же время обладающей неплохими характеристиками сварки чёрных металлов. Для того чтобы регулировать ток и соответственно дугу во время этого процесса сварочный агрегат оборудован раздвижной системой, увеличивающей расстояние между катушками, а также площадь сердечника. Они из-за своей ценовой категории очень распространены на производстве, особенно в цехах с устаревшим оборудованием. Обладают довольно крупными размерами и зачастую устанавливаются стационарно.

И также как регулятор тока для сварочного аппарата, применяются отдельно расположенные дросселя, который добавляет индуктивности в цепь. Самый простой способ, но самый эффективный, регулировки напряжения и силы тока во время выполнения сварочных работ — это вывод нескольких контактных точек со вторичной обмотки. Кончено же, плавности изменения силы дуги в таком аппарате не получится добиться.

Сварочные трансформаторы постоянного тока

Такие приборы более эффективны для сваривания различных материалов обладают меньшими габаритами и плавным регулированием силы тока. Любой трансформатор не может работать на постоянном токе, это факт.

На рисунке показана простейшая схема такого агрегата, которую можно сделать и своими руками. Она гарантирует стабильные выходные характеристики сварочного тока и дуги, которая является ключевым аспектом любой сварки.Устройство и принцип действия сварочного трансформатора

Сварщики знают, что при работе от положительного зажима выделяется больше тепла, чем от отрицательного. Следовательно для разной толщины металла стоит вырабатывать свою методику.

Существуют и новые разработки в этой отрасли так называемые сварочные аппараты инверторного типа. Трансформатор здесь работает на повышенных частотах, что даёт возможность снизить и габариты устройства, его вес, и токи первичной обмотки без последствий для создания качественной дуги.

Сварочный трансформатор ВДМ

Аппараты ВДМ производственного сварочного многопостового выпрямителя, устанавливается зачастую стационарно и предназначен для сварочных постов дуговой электросварки с помощью металлического электрода. Очень часто ВДМ подключаются к трёхфазной сети 380 Вольт. Во взрывоопасной среде, насыщенной пылью разной фракции, или же содержащей едкие газовые пары, разрушающие сталь и изоляцию, эксплуатация строго запрещена. Конструктивно в ВДМ есть возможность регулировать величину тока реостатом и дросселем.

Как рассчитать сварочный трансформатор

Изготовление трансформатора для сварочных работ, который должен быть близок по своим характеристикам к промышленному образцу, нужно проводить стандартными методиками подсчёта. Данная методика подойдет больше бытовому устройству, она содержит оптимальные значения обмоток и минимальные габаритные размеры сердечника.

Существует два вида сердечника:

Устройство и принцип действия сварочного трансформатора Устройство и принцип действия сварочного трансформатора

При этом стержневые имеют немного большие показания КПД (коэффициента полезного действия) нежели броневые.

Прежде чем приступить непосредственно к расчету сварочного понижающего трансформатора, необходимо определить его мощность, которая зависит от того какая величина тока нужна для его эксплуатации. Наиболее распространенные варианты от 70 до 150 А. Разумно будет брать максимально допустимые токи вторичной обмотки немного выше порядка 180–200 А.

Мощность сварочного трансформатора переменного тока, и аппарата в целом, будет равна:

P = U2 × I2 × cos (φ) / η

где, U2 — напряжение холостого хода сварочного трансформатора рекомендуется от 30 до 60 Вольт, I2 — ток сварки, cos (φ) угол сдвига фаз между током и напряжением. В случае расчета потребляемой мощности cos (φ) можно взять равным 0,8; η- КПД, для данного устройства примерно можно принять равным 0,7.

А также стоит учесть при этом и продолжительность эксплуатации трансформатора, так как, скорее всего, ему пройдется работать не один час.

Pдл = U2 × I2 × (ПР/100)1/2 × 0.001

ПР — это коэффициент длительности работы в смену, рекомендуется порядка 20-30 %;

Намотка сварочного трансформатора

Зачастую намотка производится уже на имеющееся железо и вот формулы примерного числа витков

С обмотками на одном плече (рисунок ниже, а):

N1 = 7440 × U1/(Sиз × I2)

С разнесенными обмотками (рисунок ниже, б):

N1 = 4960 × U1/(Sиз × I2)

Устройство и принцип действия сварочного трансформатора

Sиз — измеренное сечение магнитопровода (см2)

Такой способ расчета считается упрощённым. Ниже прилагается формула расчета сечения медного провода, которым непосредственно и будет выполнена намотка.Устройство и принцип действия сварочного трансформатора

Плотность тока в обмотках берётся из справочника для медного провода J = 2,5 А/мм2. Для сварочного аппарата постоянного тока ВДМ агрегат оборудуется тремя первичными и тремя вторичными обмотками, поэтому расчёт производится инженерами и без квалификации его проблематично соорудить.

Улучшение сварочного трансформатора

Для улучшения нужно сократить слишком большую вторичную обмотку в 3–4 раза, уменьшив в ней напряжение холостого хода до 22–25 вольт, а вот для стабильного и уверенного зажигания дуги, прибавить небольшую слаботочную обмотку с напряжением 80–110 вольт. Переменный ток каждой из обмоток проходит выпрямление на диодных мостах, после чего обмотки подключаются параллельно друг другу.Устройство и принцип действия сварочного трансформатора

Но также для усовершенствования и улучшения длительной работы сварочного трансформатора особенно в летнюю жаркую погоду необходимо использовать приточную или же вытяжную вентиляцию.