Трансформатор для сварки своими руками

Сегодня трудно себе представить возведение и создание различных металлических конструкций без применения сварочных трансформаторов. Высокая надежность соединений конструкций и простота выполнения работ позволила сварочному аппарату прочно занять свое место в арсенале любого строителя. Приобрести такой трансформатор можно в любом строительном магазине. Но не всегда заводская модель может соответствовать определенным запросам и требованиям. Поэтому многие стараются сделать трансформатор для сварки самостоятельно. Изготовление самодельного сварочного трансформатора проходит в несколько этапов, начиная с расчетов и заканчивая монтажом.

1. Виды самодельных трансформаторов для сварки
   • Трансформатор для дуговой сварки
   • Трансформатор для точечной сварки
2. Характеристики сварочных трансформаторов
   • Напряжение сети и количество фаз
   • Номинальный сварочный ток трансформатора
   • Пределы регулирования сварочного тока
   • Диаметр электрода
   • Номинальное рабочее напряжение
   • Номинальный режим работы
   • Мощность потребляемая и выходная
   • Напряжение холостого хода
3. Схема сварочного трансформатора
4. Расчет трансформатора для сварки
5. Монтаж сварочного трансформатора

Для понимания всего процесса изготовления трансформатора для сварки своими руками необходимо разобраться в принципе его работы, который заключается в преобразовании напряжения 220 Вольт в более низкое напряжение до 80 Вольт. При этом сила тока возрастает с 1,5 Ампер до 160 – 200 Ампер, а в промышленных до 1000 Ампер. Эта зависимость для сварочного трансформатора еще называется понижающей вольтамперной характеристикой и является одной из основополагающих характеристик аппарата. Именно на основании этой зависимости построена вся конструкция сварочного трансформатора и выполняются все необходимые расчеты, а также созданы различные модели сварочных аппаратов.

Виды самодельных трансформаторов для сварки

С момента открытия явления электрической дуги и создания первого сварочного аппарата прошло более двухсот лет. В течение всего этого времени сварочный трансформатор и способы сварки совершенствовались. На сегодняшний день можно увидеть несколько различных конструкций сварочных аппаратов, различной сложности и принципа действия. Среди них наиболее популярными для изготовления своими руками являются сварочный трансформатор для контактной сварки и для дуговой.

Трансформатор для дуговой сварки

Наибольшего распространения среди народных умельцев получили трансформаторы дуговой сварки. Причин такой популярности несколько. Во-первых, простая и надежная конструкция аппарата. Во-вторых, широкий диапазон применения. В-третьих, простота и мобильность. Но кроме описанных выше преимуществ, ручная дуговая сварка имеет ряд недостатков, среди которых основными являются низкий КПД и зависимость качества сварочного шва от навыка сварщика.

Ручная дуговая сварка чаще всего широко применяется для различных ремонтно-строительных работ, изготовления металлических конструкций и частей конструкций, сварки труб. С помощью дуговой сварки возможна как резка, так и сварка металла различной толщины.

Конструкция таких трансформаторов довольно проста. Аппарат состоит из самого трансформатора, регулятора силы тока, держателя для электродов и зажима массы. Отдельно стоит выделить центральный элемент – трансформатор. Его конструкция может быть нескольких видов, но наиболее популярными являются самодельные сварочные трансформаторы с тороидальным и П-образным магнитопроводом. Вокруг магнитопровода расположены две обмотки медного или алюминиевого провода – первичная и вторичная. В зависимости от рабочих характеристик изменяется толщина провода на обмотках, а также количество витков.

Трансформатор для точечной сварки

Этот вид сварки еще называют контактной, и сварочные трансформаторы контактной сварки несколько отличается от аппаратов дуговой сварки. Ключевое отличие заключается в способе сварки. Так если при дуговой сварке плавление происходит при помощи электрической дуги, возникающей между электродом и свариваемой поверхностью, то в контактной сварке выполняется точечный нагрев места сварки электричеством при помощи двух заточенных медных электродов и воздействием высокого давления для соединения. В результате металл заготовок в точке воздействия расплавляется и сливается.

Точечная сварка нашла широкое применение в автомобильной промышленности, в строительстве при создании каркаса из арматуры для ЖБ конструкций, сварки тонких листов из алюминия, нержавейки, меди и прочих металлов, требующих специальных условий для сварки.

Конструкция трансформаторов для точечной сварки также имеет определенные отличия. Во-первых, это касается отсутствия наплавляемых электродов. Вместо этого используются заостренные медные контакты, между которыми располагаются свариваемые элементы. Во-вторых, трансформаторы в таких аппаратах менее мощные и выполнены с П-образным сердечником. В-третьих, контактные сварочные аппараты имеют в своей конструкции набор конденсаторов, что для дуговой сварки совсем необязательно.

Но в независимости от того, планируете Вы делать трансформатор дуговой сварки или контактной, необходимо знать их рабочие характеристики. И понимать, за что отвечает каждая из них и как можно изменить ту или иную характеристику.

Характеристики сварочных трансформаторов

Работу сварочного трансформатора определяют его рабочие характеристики. Зная и понимая, за что отвечает та или иная характеристика, можно без особых проблем выполнить расчет сварочного трансформатора и собрать аппарат своими руками.          

Напряжение сети и количество фаз

Эта характеристика указывает на напряжение сети, от которой будет запитан сварочный трансформатор. Чаще всего самодельные сварочные трансформаторы рассчитаны на напряжение в 220 В, но иногда это может быть и 380 В. При выполнении расчетов и создании схемы этот параметр является одним из основных.

Номинальный сварочный ток трансформатора

Эта характеристика является основной для любого сварочного трансформатора. От величины номинального сварочного тока зависит возможность сварки и резки металлической заготовки. В самодельных и бытовых сварочных трансформаторах значение номинального тока не превышает 200 А. Но этого более чем достаточно, тем более что чем выше этот показатель, тем выше вес самого трансформатора. К примеру в промышленных сварочных трансформаторах сварочный ток может достигать 1000 А, а вес у таких аппаратов будет более 300 кг.

Пределы регулирования сварочного тока

При сварке металла различной толщины необходима определенная сила тока иначе металл не расплавится. Для этого в конструкции сварочных трансформаторов предусмотрен регулятор. Чаще всего пределы регулировки устанавливаются исходя из потребности использования электродов определенного диаметра. Для самодельных сварочных аппаратов дуговой сварки пределы регулировки колеблются от 50 А до 200 А. Для сварочных трансформаторов контактной сварки пределы регулирования начинаются от 800 А до 1000 А и более.

Диаметр электрода

Чтобы сварить металл различной толщины, используя один и тот же аппарат  дуговой сварки, приходится регулировать номинальный сварочный ток, а также использовать электроды различного диаметра. Необходимо четко понимать, что для сварки тонкими электродами требуется низкая сила тока, а для более толстых – наоборот, большая. Тоже самое касается и толщины металла. В приведенной ниже таблице указаны сводные данные по диаметрам используемых электродов в зависимости от толщины металла и силы тока трансформатора.

Важно! Для трансформаторов контактной сварки диаметр электродов также важен. Но при этом используются два параметра – диаметр самого электрода и диаметр его конусовидной части. 

Номинальное рабочее напряжение

Как мы уже знаем, сварочный трансформатор работает на понижение входящего напряжения до более низкого значения. Напряжения на выходе называется номинальным и не превышает 80 Вольт. Для сварочных трансформаторов дуговой сварки диапазон номинального напряжения находится в пределах 30 – 70 Вольт. Причем эта характеристика не регулируема и задается изначально. Трансформаторы для точечной сварки, в отличие от дуговых, имеют еще более низкое номинальное напряжение порядка 1,5 – 2 Вольта. Такие показатели вполне закономерны, учитывая связь между напряжением и силой тока. Чем выше должна быть сила тока, тем меньше напряжение.

Номинальный режим работы

Эта рабочая характеристика является одной из ключевых. Номинальный режим работы указывает на то, сколько времени можно работать беспрерывно и сколько необходимо давать ему остыть. У самодельных сварочных трансформаторов номинальный режим находится в переделах 30 %. То есть из 10 минут 3 можно варить беспрерывно и 7 минут оставлять на отдых.

Мощность потребляемая и выходная

По сути эти два показателя мало на что влияют. Но зная оба этих показателя, можно рассчитать КПД сварочного трансформатора. Чем меньше разница между  потребляемой и выходной мощностью, тем лучше. Необходимо отметить, что при выполнении расчетов значение потребляемой мощности необходимо знать и учитывать.

Напряжение холостого хода

Этот показатель важен для дуговых сварочных трансформаторов. Он отвечает за появление дуги. Чем выше этот показатель, тем легче можно вызвать сварочную дугу. Но напряжение холостого хода ограничено правилами безопасности и не должно превышать 80 Вольт.

Схема сварочного трансформатора

Создавая трансформатор для сварки своими руками, не обойтись без его принципиальной схемы. По сути особых сложностей в этом нет, тем более что устройство самого трансформатора довольно простое. На приведенной ниже схеме изображен самый простой дуговой сварочный трансформатор.

Важно! Тем, кто плохо разбирается или совсем не разбирается в электрических схемах, следует вначале ознакомиться с ГОСТ 21.614 «Изображения условные графические электрооборудования и проводок в оригинале». И лишь затем переходить к созданию схемы для сварочного трансформатора.

С развитием электротехники и технологий схема сварочного трансформатора совершенствовалась. Сегодня в самодельных аппаратах для сварки можно увидеть диодные мосты и различные регуляторы силы сварочного тока. На приведенной ниже схеме дугового сварочного трансформатора видно, как интегрирован в неё диодный мост.

Важно! Наибольшую популярность среди самодельных дуговых сварочных трансформаторов имеет тороидальный. Такой аппарат обладает прекрасными рабочими характеристиками, которые на порядок выше, чем у трансформаторов с П-образным сердечником. Это касается в первую очередь высокого КПД и номинальной силы тока, что выгодно сказывается на общем весе аппарата.

В отличие от описанных выше, схема трансформатора для точечной сварки более сложная и может включать в себя конденсаторы, тиристоры и диоды. Такое наполнение позволяет более тонко регулировать силу тока, а также время контактной сварки. Примерную схему трансформатора для контактной сварки можно увидеть ниже.

Помимо приведенных схем сварочных аппаратов существуют и другие. Найти их не составит особого труда. Они размещены как в сети интернет, так и в различных журналах и книгах об электротехнике. Обзаведясь наиболее понравившейся схемой, можно приступать к расчетам и сборке сварочного трансформатора.

Расчет трансформатора для сварки

Как уже было описано, трансформатор состоит из сердечника и двух обмоток. Именно эти элементы конструкции отвечают за основные рабочие характеристики трансформатора 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.

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.

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.

Первое, что необходимо рассчитать, это мощность самого трансформатора:

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.

Далее выполняем расчет количества витков для каждой из обмоток. Для этого вначале рассчитываем количество витков на 1 В по формуле K = 50/Sс = 50/45 = 1,11 витка на каждый потребляемый Вольт.

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.

Где:

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.

Монтаж сварочного трансформатора

Имея на руках все расчеты и схему, можно приступать к сборке трансформатора. Все работы будут не столько сложными, сколько кропотливыми, так как придется считать количество витков и не сбиваться со счета. Несмотря на то, что наибольшей популярностью среди самодельных аппаратов пользуется тороидальный трансформатор для сварки, рассмотрим монтаж на примере трансформатора с П-образным сердечником. Этот тип трансформаторов несколько проще в сборке в отличие от тороидального и второй по популярности среди самоделок.

Работы начинаем с создания каркасов для обмоток. Для этого используем текстолитовые пластины. Этот материал применяется для создания штампованных плат. Из пластин вырезаем детали для двух коробов. Каждый короб будет состоять из двух верхних крышек с прорезями для четырех стенок. Площадь внутренних прорезей будет соответствовать площади сечения сердечника с небольшим увеличением для стенок короба. Пример того, как должны выглядеть части короба, можно увидеть на фото.

Собрав каркасы для обмоток, изолируем их термостойкой изоляцией. После чего начинаем мотать обмотки.

Провода для обмоток желательно брать с термостойкой стеклянной изоляцией. Это, конечно, будет несколько дороже в сравнении с обычной проводкой, но в результате не будет головной боли относительно возможного перегрева и пробоя в обмотках. После того как намотали один слой проводки, изолируем его и только после этого начинаем мотать следующий. Не забываем делать отводы на определенном числе мотков. В завершение создания обмоток наматываем слой верхней изоляции. На концах отводов закрепляем медные болты.

Важно! Прежде чем установить и закрепить болты на концах проводов, протягиваем последние сквозь дополнительные отверстия, прорезанные в верхней пластине каркаса из текстолита.

Теперь приступаем к сборке и шихтованию магнитопровода сварочного трансформатора. Для него используется железо, созданное специально для этого. Металл имеет определенные показатели магнитной индукции, и не подходящая марка может все испортить. Металлические пластины для сердечника можно снять со старых трансформаторов или купить по отдельности. Сами пластины имеют толщину около 1 мм, и сборка всего сердечника потребует лишь терпеливого соединения всех пластин в единое целое. По завершению следует проверить все обмотки тестером на предмет ошибок.

По завершению сборки трансформатора делаем диодный мост и устанавливаем регулятор силы тока. Для диодного моста используем диоды типа В200 или KBPC5010. Каждый диод рассчитан на 50 А, поэтому для сварочного трансформатора с номинальной силой тока в 180 А потребуется 4 таких диода. Все диоды закрепляются к алюминиевому радиатору и подключаются параллельно с дросселем отводам из обмоток. Осталось лишь собрать корпус и поместить туда сварочный трансформатор.

Хороший сварочный трансформатор своими руками может не получиться с первого раза. Причин тому множество, начиная с ошибок в расчетах и заканчивая отсутствием опыта сборки и монтажа электрооборудования. Но все приходит с опытом, и один-два раза перемотав обмотки трансформатора, можно получить желаемый результат.