Характеристика сварочного трансформатора

Занимаясь поисками подходящего сварочного трансформатора, многие отказываются от заводских моделей в пользу самодельных. Причины такого решения могут быть самые разнообразные, начиная от неприемлемых цен и заканчивая желанием сделать сварочный трансформатор самостоятельно. По сути особых сложностей в том, как сделать сварочный трансформатор, нет, к тому же, самодельный сварочный трансформатор может по праву считаться предметом гордости любого хозяина. Но при его создании невозможно обойтись без знаний об устройстве и схеме трансформатора, его характеристиках и расчетах по ним.

1. Рабочие характеристики сварочного трансформатора
   • Напряжение сети и количество фаз
   • Номинальный сварочный ток трансформатора
   • Диаметр электрода
   • Пределы регулирования сварочного тока
   • Номинальное рабочее напряжение
   • Номинальный режим работы
   • Мощность потребления и выходная
   • Напряжение холостого хода
2. Схема сварочного трансформатора
3. Расчет сварочного трансформатора

Рабочие характеристики сварочного трансформатора

Любой электроинструмент обладает определенными рабочими характеристиками и сварочный трансформатор не исключение. Но кроме привычных, таких как мощность, количество фаз и требуемое для работы напряжение в сети, сварочный трансформатор имеет целый набор уникальных характеристик, каждая из которых позволит безошибочно подобрать в магазине аппарат под определенный вид работ. Для тех же, кто собирается изготовить сварочный трансформатор своими руками, знание этих характеристик потребуется для выполнения расчетов.

Но прежде чем перейти к детальному описанию каждой характеристики, необходимо разобраться, что собой представляет базовый принцип работы сварочного трансформатора. Он довольно прост и заключается в преобразовании входящего напряжения, а именно его понижении. Понижающая вольтамперная характеристика сварочного трансформатора имеет следующую зависимость – при понижении напряжения (Вольт) возрастает сила тока сварки (Ампер), что и позволяет плавить и сваривать металл. На основе этого принципа и построена вся работа сварочного трансформатора, а также связанные с ней другие рабочие характеристики.

Напряжение сети и количество фаз

С этой характеристикой все довольно просто. Она указывает на требуемое для работы сварочного трансформатора напряжение. Это может быть 220 В или 380 В. На практике напряжение в сети может немного колебаться в пределах +/- 10 В, что может сказаться на стабильной работе трансформатора. При расчетах для сварочного трансформатора напряжение в сети является основополагающей характеристикой для расчетов. К тому же, от напряжения в сети зависит количество фаз. Для 220 В – это две фазы, для 380 В – три. В расчетах это не учитывается, но для подключения сварочного аппарата и его работы это важный момент. Также есть отдельная категория трансформаторов, которые могут работать как от 220 В, так и от 380 В.

Номинальный сварочный ток трансформатора

Это основная рабочая характеристика любого сварочного трансформатора. От величины силы сварочного тока зависит возможность резки и сварки металла. Во всех сварочных трансформаторах это значение указывается максимальным, так как именно столько способен выдать трансформатор на пределе возможностей. Конечно, номинальный сварочный ток можно регулировать для возможности работы электродами различного диаметра, и для этого в трансформаторах предусмотрен специальный регулятор. Необходимо отметить, что для бытовых сварочных трансформаторов, созданных своими руками, сварочный ток не превышает 160 – 200 А. Это связано в первую очередь с весом самого трансформатора. Ведь чем больше сила сварочного тока, тем больше требуется витков медного провода, а это лишние неподъемные килограммы. В дополнение на сварочный трансформатор цена зависит от металла для проводов обмоток, и чем больше провода было потрачено, тем дороже обойдется сам аппарат.

Диаметр электрода

В работе со сварочным трансформатором для сварки металла используются наплавляемые электроды различного диаметра. При этом возможность использовать электрод определенного диаметра зависит от двух факторов. Первый – номинальный сварочный ток трансформатора. Второй – толщина металла. В приведенной ниже таблице указаны диаметры электродов в зависимости от толщины металла и сварочного тока самого трансформатора.

Как видно из этой таблицы, использование 2 мм электрода будет просто бессмысленным при силе тока в 200 А. Или наоборот, 4 мм электрод бесполезен при силе тока в 100 А. Но довольно часто приходится выполнять сварку металла различной толщины одним и тем же аппаратом и для этого сварочные трансформаторы оборудуются регуляторами силы тока.

Пределы регулирования сварочного тока

Для сварки металла различной толщины используются электроды различного диаметра. Но если сила сварочного тока будет слишком большой, то металл при сварке прогорит, а если слишком маленькой, то не удастся его расплавить. Потому в сварочных трансформаторах для этих целей встраивается специальный регулятор, позволяющий понижать номинальный сварочный ток до определенного значения. Обычно в самодельных сварочных трансформаторах создается несколько ступеней регулировки, начиная от 50 А и заканчивая 200 А.

Номинальное рабочее напряжение

Как уже отмечалось, сварочный трансформатор преобразует входящее напряжение до более низкого значения, составляющего 30 – 60 В. Это и есть номинальное рабочее напряжение, которое необходимо для поддержания стабильного горения дуги. Также от этого параметра зависит возможность сварки металла определенной толщины. Так для сварки тонколистового металла требуется низкое напряжение, а для более толстого – высокое. При расчетах этот показатель весьма важен.

Номинальный режим работы

Одной из ключевых рабочих характеристик сварочного трансформатора является его номинальный режим работы. Он указывает на период беспрерывной работы. Этот показатель для заводских сварочных трансформаторов обычно составляет около 40%, а вот для самодельных он может быть не выше 20 – 30%. Это значит, что из 10 минут работы можно беспрерывно варить 3 минуты, а 7 давать отдохнуть.          

Мощность потребления и выходная

Как и любой другой электроинструмент, сварочный трансформатор потребляет электроэнергию. При расчетах и создании трансформатора показатель потребляемой мощности играет важную роль. Что касается выходной мощности, то её также следует учитывать, так как коэффициент полезного действия сварочного трансформатора напрямую зависит от разницы между этими двумя показателями. И чем меньше эта разница, тем лучше.

Напряжение холостого хода

Одной из важных рабочих характеристик является напряжение холостого хода сварочного трансформатора. Эта характеристика отвечает за легкость появления сварочной дуги, и чем выше будет напряжение, тем легче появится дуга. Но есть один важный момент. Для обеспечения безопасности человека, работающего с аппаратом, напряжение ограничивается 80 В.

Схема сварочного трансформатора

Как уже отмечалось, принцип работы сварочного трансформатора заключается в понижении напряжения и повышении силы тока. В большинстве случаев устройство сварочного трансформатора довольно простое. Он состоит из металлического сердечника, двух обмоток – первичной и вторичной. На представленном ниже фото изображено устройство сварочного трансформатора.

С развитием электротехники принципиальная схема сварочного трансформатора совершенствовалась, и сегодня производятся сварочные аппараты, в схеме которых используются дроссели, диодный мост и регуляторы силы тока. На представленной схеме видно, как диодный мост интегрирован в сварочный трансформатор (фото ниже).

Одним из самых популярных самодельных сварочных трансформаторов является трансформатор с тороидальным сердечником, в силу его малого веса и прекрасных рабочих характеристик. Схема такого трансформатора представлена ниже.

Сегодня существует множество различных схем сварочных трансформаторов, начиная от классических и заканчивая схемами инверторов и выпрямителей. Но для создания сварочного трансформатора своими руками лучше выбирать более простую и надежную схему, не требующую использования дорогой электроники. Как, например, сварочный тороидальный трансформатор или трансформатор с дросселем и диодным мостом. В любом случае для создания сварочного трансформатора, кроме схемы, придется выполнить определенные расчеты, чтобы получить требуемые рабочие характеристики.

Расчет сварочного трансформатора

При создании сварочного трансформатора под конкретные цели приходится определять его рабочие характеристики заранее. Кроме этого, расчет сварочного трансформатора выполняется для определения количества витков первичной и вторичной обмоток, площади сечения сердечника и его окна, мощности трансформатора, напряжения дуги и прочего.

Для выполнения расчетов потребуются следующие исходные данные:

• входящее напряжение первичной обмотки (В) U1;
• номинальное напряжение вторичной обмотки (В) U2;
• номинальная сила тока вторичной обмотки (А) I;
• площадь сердечника (см2) Sс;
• площадь окна (см2)So;
• плотность тока в обмотке (A/мм2).

Рассмотрим на примере расчета для тороидального трансформатора со следующими параметрами: входящее напряжение U1=220 В, номинальное напряжение вторичной обмотки U2=70 В, номинальная сила тока вторичной обмотки 200 А, площадь сердечника Sс=45 см2, площадь окна So=80 см2, плотность тока в обмотке составляет 3 A/мм2.

Вначале рассчитываем мощность тороидального трансформатора по формуле:

P габаритн = 1,9*Sc*So. В результате получим 6840 Вт или упрощенно 6,8 кВт.

Важно! Данная формула применима только для тороидальных трансформаторов. Для трансформаторов с сердечником типа ПЛ, ШЛ используется коэффициент 1,7. Для трансформаторов с сердечником типа П, Ш – 1,5.

Следующим шагом будет расчет количества витков для первичной и вторичной обмоток. Чтобы это сделать, вначале придется вычислить необходимое количество витков на 1 В. Для этого используем следующую формулу: K = 35/S. В результате получим 0,77 витка на 1 В потребляемого напряжения.

Важно! Как и в первой формуле, коэффициент 35 применим только для тороидальных трансформаторов. Для трансформаторов с сердечником типа ПЛ, ШЛ используется коэффициент 40. Для трансформаторов с сердечником типа П, Ш – 50.

Далее рассчитываем максимальный ток первичной обмотки по формуле: Imax = P/U. В результате получим ток для первичной обмотки 6480/220=31 А. Для вторичной обмотки силу тока берем за константу в 200 А, так как возможно придется варить электродами с диаметром от 2 до 3 мм металл различной толщины. Конечно, на практике 200 А – это предельная сила тока, но запас в пару десятков ампер позволит аппарату работать более надежно.

Теперь на основании полученных данных рассчитываем количество витков для первичной и вторичной обмоток в трансформаторе со ступенчатым регулированием в первичной обмотке. Расчет для вторичной обмотки выполняем по следующей формуле  W2 =U2*K, в результате получим 54 витка. Далее переходим к расчету ступеней первичной обмотки. Для этого используем формулу W1ст = (220*W2)/Uст.

Где:

Uст – необходимое выходное напряжение вторичной обмотки.

W2 – количество витков вторичной обмотки.

W1ст – количество витков первичной обмотки определенной ступени.

Но прежде чем приступить к расчету витков ступеней первичной обмотки, необходимо определить напряжение для каждого. Сделать это можно по формуле U=P/I, где:

P – мощность (Вт).

U – напряжение (В).

I – ток (А).

Например, нам требуется сделать четыре ступени со следующими показателями номинальной силы тока на вторичной обмотке: 160 А, 130 А, 100 А и 90 А. Такой разброс понадобится для использования электродов различного диаметра и сварки металла различной толщины. В результате получим Uст = 40,5 В для первой ступени, 50 В для второй ступени, 65 В для третьей ступени и 72 В для четвертой. Подставив полученные данные в формулу W1ст = (220*W2)/Uст, рассчитываем количество витков для каждой ступени. W1ст1 = 293 витка, W1ст2 = 238 витков, W1ст3 = 182 витка, W1ст4 = 165 витков. В процессе намотки провода на каждом из этих витков делается отвод для регулятора.

Осталось рассчитать сечение провода для первичной и вторичной обмоток. Для этого используем показатель плотности тока в проводе, который равен 3 A/мм2. Формула довольно проста – необходимо максимальный ток каждой из обмоток разделить на плотность тока в проводке. В результате получим для первичной обмотки сечение провода Sперв = 10 мм2. Для вторичной обмотки сечение провода Sвтор = 66 мм2.

Создавая сварочный трансформатор своими руками, необходимо выполнить все вышеперечисленные расчеты. Это поможет правильно подобрать все необходимые детали и затем собрать из них аппарат. Для новичка выполнение расчетов может показаться весьма запутанным занятием, но если вникнуть в суть выполняемых действий, все окажется не таким уж и сложным.