Зварювальний трансформатор

Енергія в трансформаторі перетворюється за рахунок змінного магнітного поля і використання необхідної кількості витків на первинній і вторинній обмотках, розташованих на магнітопроводі. Магнітопроводом називається сердечник, виконаний з трансформаторної сталі, котра є тонколистною і низьковуглецевою. Її магнітопроводимість і визначає вагу зварювального трансформатора.

Для надійного запалювання дуги вторинна напруга зварювальних трансформаторів повинна бути не менш 60—65 В; напруга дуги при ручному зварюванні звичайно не перевищує 20—30 В.

Для зварювання змінним струмом широко застосовують однофазні трансформатори, які знижують напругу з 220 В до величини не більше 70 В. У промисловості найчастіше використовують трифазні зварювальні трансформатори, де напруга у 360 В понижається також до величини не більше 70 В. Інколи бувають і двофазні (з'єднані дві фази по 220 В) зварювальні трансформатори (зазвичай саморобні), які понижують напругу з 380 В до 70 В. Вони усі відрізняються між собою принципово тільки величиною коефіцієнту перетворення напруги й струму, внаслідок різниці у вхідних напругах і відповідно і в побудові первинної обмотки; в трифазних є три первинні обмотки, а в однофазних і двофазних є тільки одна первинна обмотка, тільки з тією відмінністю, що витків на цій обмотці в двофазних є більше, відповідно з вольтажем, у перших 220 В, а в других 380 В.[1]

Вольт-амперна характеристика вторинного кола цих трансформаторів, тобто залежність між величиною зварювального струму і напругою, повинна забезпечувати ведення сталого зварювального процесу, враховує статичну характеристику зварювальної дуги.

Наявність індуктивного опору необхідної розрахункової величини забезпечує в трансформаторах стабілізацію дуги і її відновлення при частій зміні полярності змінного струму.

Специфіка роботи зварювального трансформатора полягає в тому, що його навантаження непостійне. Зазвичай вважають, що частка часу роботи під навантаженням у циклі, що складається з власне зварювання і паузи, не перевищує 60 %. Для побутових зварювальних трансформаторів нерідко приймають ще меншу величину — 20 %, що дозволяє без значного погіршення теплового режиму збільшити щільність струму в обмотках трансформатора і зменшити площу вікна його магнітопроводу, необхідну для розміщення обмоток.

При зварювальному змінному струмі і без примусового охолодження вважають допустимою щільність струму в мідній обмотці 8 А/мм², в алюмінієвій — 5 А/мм² (а при завантажені у 60 % допустима щільність струму є меншою в міді 5 А, а в алюмінію 3 А). При постійному струмі зварювального трансформатора допустима щільність струму збільшується на 30—40 %. На трифазних трансформаторах можна збільшити частоту струму до 150–300 Гц, тому і це може підвищувати допустиму щільність струму на вторинній обмотці. Як і встановленням на зварювальних трансформаторах конденсаторів і дроселів.

На практиці одним і тим зварювальним трансформатором доводиться зварювати метал різної товщини і провадити зварювання різними за діаметром електродами, що вимагає і регулювання потужності трансформатора, аби виконувати зварюваний шов належним чином. Тому використовують різні способи регулювання потужності:

• Зміною зазору на реактивній котушці, котра встановлюється на окремому магнітопроводі, або додається до магнітопроводу трансформатора у вигляді букви «П». На реактивну котушку намотується той вихід вторинної обмотки, котрий йде на «масу».
• Переміщенням вторинної котушки по стержнях магнітопроводу. Це використовується в основному на трифазних трансформаторах. Що далі вторинна котушка від первинної, то менша потужність трансформатора.
• Додаванням на первинну обмотку додаткових відводів через кожних 5—10 витків. Таких відводів може бути від 2 до 12. Тобто, коли на трансформаторі за розрахунком має бути наприклад 180 витків, то на 180 витку робиться перший відвід, на підключенні до котрого і буде максимальна потужність, а усі додаткові витки і відводи будуть тільки зменшувати струм і напругу. І повний спектр регулювання можна буде досягнути додаванням до тих 180 основних витків ще 60—80 витків з не менш як 6—8 відводами (що більше, то краще). Такий спосіб регулювання виконують за допомогою багатоступінчатого перемикача фаз або шляхом перекладання з'єднання підключення до різних відводів.
• Бувають ще і саморобні способи регулювання потужності зварювального трансформатора, зокрема додаванням на вхід первинної обмотки потужного реостата з ніхромовою спіраллю, або додаванням на «масу» вторинної обмотки 6,5-мм катанки довжиною у 2 метри, змотаної у спіраль, до котрої на потрібній довжині під'єднують кабельне з'єднання зі зварювальним металом (чим довша довжина катанки на під'єднанні, тим менша потужність трансформатора), це щось подібне на реостат з підручних матеріалів. Але з таким регулюванням незручно працювати і додатково небезпечно, бо ці спіралі дуже сильно нагріваються. Але негативно на якість зварювальних робіт це не впливає (регулювання таки відбувається) і люди звикають й до таких умов праці в побуті.[2]

Загалом зварювальний трансформатор розраховується як і кожен інший електричний трансформатор, на базі формул «ідеального трансформатора», тобто без урахування втрат напруги і струму в самому трансформаторі:

${\displaystyle U_{2}={\frac {N_{2}}{N_{1}}}\cdot U_{1}}$ ;

${\displaystyle I_{2}={\frac {N_{1}}{N_{2}}}\cdot I_{1}}$ ;

${\displaystyle {U_{1}\cdot I_{1}}={U_{2}\cdot I_{2}}}$ ;

${\displaystyle U_{eff}={{\sqrt {2}}\cdot \pi \cdot {\widehat {B}}\cdot A\cdot f\cdot N}\!\approx 4{,}44\cdot {\widehat {B}}\cdot A\cdot f\cdot N}$ ;

${\displaystyle \gamma =N_{1}/N_{2}}$ ;

${\displaystyle {\begin{pmatrix}{I_{2}}\\{U_{2}}\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}{\gamma }&{0}\\{0}&{\frac {1}{\gamma }}\end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}{I_{1}}\\{U_{1}}\end{pmatrix}}}$ ;

де

U₁ — напруга первинної обмотки (В);

U₂ — напруга вторинної обмотки (В);

I₁ — струм первинної обмотки (А);

I₂ — струм вторинної обмотки (А);

N₁ — число витків первинної обмотки;

N₂ — число витків вторинної обмотки;

U_eff — індукція магнітного потоку;

${\displaystyle {\widehat {B}}}$ — щільність магнітного потоку для матеріалу магнітопроводу;

${\displaystyle \gamma }$ — коефіцієнт трансформації;

A — площа перерізу магнітопроводу;

f — частота струму (Гц);

N — число витків ;

k = 4,44, для однофазної напруги k = 4, для трифазної напруги k = 4,62.[3]

А потім проводять його експериментальне випробування, де визначаються реальні втрати на підставі чого і визначають додаткові коефіцієнти для більш точного розрахунку трансформатора й для вдосконалення його конструкції.

Характерним для зварювального трансформатора є переривистий режим роботи з різким переходом від холостого ходу до короткого замикання. Тому зовнішня характеристика повинна бути різко падаючою, що досягається внаслідок підвищеної індуктивності обмоток.[4] Це досягається на практиці розміщенням обмоток на різних частинах магнітопроводу (принаймні часткове, зазвичай половину вторинної обмотки намотують на другій половині магнітопроводу, а решту обмотки рівномірно поверх первинної обмотки) і визначенням гранично мінімального числа витків первинної обмотки. Так при саморобному виконані зварювального трансформатора, коли розрахункова кількість витків відповідає кількості вольт (наприклад 220), то мотають 170 витків первинної обмотки і випробовують чи він буде працювати тривалий час (без нагрівання) при холостому ході, будучи підключеним через автомат у 2-6А, коли ні то домотують ще 5—10 витків, і так доти доки автомат не буде вибивати і не буде грітися обмотка. А потім, коли виконаний монтаж первинної обмотки, мотають на місці вторинної 10 витків тонкого проводу, підключають первинну обмотку до мережі, і заміряють вольти на тих 10 витках, аби експериментально визначити, скільки буде потрібно витків на вторинній обмотці аби там було 70В, а вже тоді мотають вторинну обмотку проводом належного перерізу.

На зварювальних трансформаторах використовують магнітопровід у стержневому (прямокутному) і тороїдальному (круглому) вигляді. В перших (прямокутних) зазвичай січенням 30—60 см², а в тороїдальних (круглих) січенням 25—45 см². Бо в перших аби один виток обмоток відповідав одному вольту потрібно січення у 45 см², а в других для цього достатньо свчення у 35 см². Тороїдальні трансформатори роблять легшими але їх важче намотувати в промислових умовах, через високу частку ручної роботи. Первинна обмотка виконується мідним проводом січення 2—6 мм², або алюмінієвим проводом січення 4—10 мм². Вторинна обмотка виконується проводом січення у 5—6 разів більшому як первинна обмотка; 10—30 мм² у міді або 20—60 в алюмінію. Що стосується кількості витків на обмотках зварювального трансформатора то це залежить від площі перерізу і форми магнітопроводу. Наприклад, у тороїдальному магнітопроводі, січеням у 35 см², на первинній буде близько 180 витків, а на вторинній 70 витків. А на стержневому (прямокутному) магнітопроводі така кількість витків обмоток буде тільки при січенні магнітопроводу у 45 см².

1. Алексєєв Е. Д., Мельник В. І. Зварювання в промисловому будівництві. — Стройиздат, 2000. — 377 с.
2. Альошин Н. П., Щербинский В. Г. Контроль якості зварювальних робіт. — М.: Вища. школа, 2006. — 167 с.
3. Безпека виробничих процесів/Под ред. С. В. Бєлова — М.: Машинобудування, 1995. — 448 с.
4. Блінов A. H., Лялін К. В. Організація і виробництво зварювально-монтажних робіт, — М.: Стройиздат, 1998. — 343 с.
5. Думова С. І. Технологія електричного зварювання плавленням. — Л.: Машинобудування, 2007. — 468 с.
6. Довідник сільського електрика / За редакцією кандидата технічних наук В. С. Олійника. — 3-тє видання, перероблене і доповнене. — Київ, Вид-во «Урожай», 1989. — 264 с.