Как рассчитать и намотать самому сварочный трансформатор

Нередко при работе в квартире, на дачном участке или в гараже необходима сварка. Случается это нечасто, поэтому приобретение дорогого и громоздкого промышленного устройства нерационально.

Многие домашние мастера делают сварочный аппарат самостоятельно. Решить эту задачу можно, если знать, как рассчитать и как намотать сварочный трансформатор — основной элемент сварочного аппарата. Широкий диапазон токов и напряжений в таком устройстве получить достаточно сложно, но обеспечить возможность выбора хотя бы нескольких значений весьма желательно.

Понятно, что воспроизвести в домашних условиях изготовленный промышленным способом аппарат достаточно сложно. Поэтому маломощное самодельное сварочное устройство может быть изготовлено по упрощенной схеме. Для таких устройств можно наметить круг приемлемых для них параметров:

• относительно небольшие размеры и вес;
• питание от осветительной сети 220 В;
• продолжительность безопасной непрерывной работы достаточна для сжигания нескольких электродов.

Немного теории

Для устойчивого и бесперебойного функционирования сварочного трансформатора должны выполняться следующие условия:

1. Чтобы дуга надежно зажигалась, должно обеспечиваться рабочее напряжение порядка 55-65 В.
2. Рабочий ток (зависит от сечения электрода) должен поддерживать бесперебойное существование дуги.
3. Величина напряжения на дуге при сварке должна составлять 18-25 В.
4. При коротком замыкании величина потребляемого тока должна возрастать не более чем на одну треть.

Для домашней электросварки обычно применяют электроды диаметром 2 (рабочий ток порядка 70 А), 3 (110-120 А) или 4 мм (140-150 А). Осознавая, что с ростом мощности увеличиваются нагрев и износ трансформатора, его вес и стоимость обмоточного провода, чаще всего на практике ориентируются максимум на «тройку». Параметр мощности трансформатора, учитывающий интенсивность его работы при сварке такими электродами, равен:

P = U * I * (П / 100)^1/2 = 65 В * 120 А * 0,4472 ≈ 3488 Вт ≈ 3,5 кВт,

где П — коэффициент интенсивности, показывающий, какую часть временного промежутка (%) трансформатор работает в режиме дуги и греется. Оставшуюся часть времени он охлаждается в холостом режиме. В расчетах П можно полагать равным 20-25%.

Параметр мощности трансформатора определяет ЭДС индукции, наводимая в одном витке обмоток:

E₁ = 0,55 + 0,095 * P (кВт) = 0.55 + 0.095 * 3.5 ≈ 0.88 В/виток.

Зная E₁, можно легко вычислить количество витков в любой из обмоток трансформатора:

N = U / E₁

Например, если первичная обмотка рассчитана на напряжение 220 В, то количество витков в ней N₁ = 220 / 0.88 = 250.

Вторичная обмотка трансформатора с U₂ = 60 В должна содержать N₂ = 60 / 0.88 = 68 витков.

Площадь поперечного сечения стального магнитопровода трансформатора (см²) может быть рассчитана по эмпирической формуле:

S = U₂ * 10000 / (4,44 * f * N₂ * B) = 60 * 10000 / (4,44 * 50 * 68 * 1,5) = 26,5 см²,

где f = 50 Гц — частота тока, В = 1,5 Тл — значение магнитной индукции в сердечнике.

При других сечениях сердечника потребуется перерасчет количества витков. Зависимость практически обратно пропорциональная — если площадь сечения сердечника увеличить в k раз, количество витков, наоборот, уменьшается в k раз.

Остается рассчитать сечение проводов. Учитывая перерывы в работе самодельного сварочного трансформатора, допустимая плотность тока — 5 А/мм². Оценка величины рабочего тока I₂ уже была произведена. Произведем оценку тока, протекающего через первичную обмотку. Если учитывать потери, средняя мощность на первичной обмотке примерно в 1,35 раза больше P. В нашем примере Р₁ ≈ 1,35 * 3,5 кВт ≈ 4,7 кВт. Тогда ток, протекающий через первичную обмотку I₁ = P₁ / U₁ = 4700 Вт / 220 В ≈ 21 А.

Рассчитаем площадь поперечного сечения проводов. Для этого делим величину тока, протекающего по обмоткам, на допустимую плотность тока. Для первичной обмотки получаем:

S₁ = I₁ / j = 21 А / 5 А/мм² ≈ 4 мм²

Для вторичной обмотки:

S₂ = I₂ / j = 120 А / 5 А/мм² = 24 мм²

Обмоточные провода следует брать с прочной и термостойкой изоляцией. Самой лучшей будет стеклоткань. Применение ПХВ оболочек недопустимо — расплавятся и вытекут. Вторичные обмотки удобно наматывать электроизолированной медной шиной. В случае ее отсутствия возможно использование многожильного гибкого провода.

Конструирование самодельного сварочного трансформатора

Разновидности магнитопроводов для трансформаторов

Самая важная деталь сварочного трансформатора — магнитопровод. Бывает так, что в сварочный трансформатор с успехом превращается достаточно мощный трансформатор, автотрансформатор и даже электродвигатель. Но тем не менее на практике чаще всего применяются сердечники трех типов:

1. Броневые.
2. Тороидальные.
3. Стержневые.

В броневом сердечнике катушки располагают на центральном стержне. Площадь этого стержня S = a * b и является площадью сечения сердечника. Такое расположение обмоток обеспечивает эффективное использование окна сердечника (S_o = c * h), их защиту от внешних воздействий. Основным недостатком, важным именно для трансформаторов большой мощности, является то, что они быстро перегреваются, поскольку обмотки окружены сердечником, плохо проводящим тепло и затрудняющим циркуляцию воздуха.

Этот недостаток в значительной мере ослаблен при стержневой конструкции сердечника. Уменьшается толщина обмоток, сокращается расход обмоточного материала, возрастает площадь поверхности охлаждения. Вследствие этого мощные сварочные трансформаторы наиболее часто изготавливаются на основе таких сердечников. Площадь сечения магнитопровода S = a * b, площадь окна S_o = c * h.

Тороидальный магнитопровод представляет собой тор, то есть кольцо прямоугольного сечения. По сравнению с описанными выше, он имеет много плюсов:

• нет стыков и зазоров;
• возможно применение сплавов с более высокой магнитной проницаемостью, что позволяет уменьшить габариты и вес трансформатора, число витков в обмотках;
• низкое значение индуктивности рассеяния и, как следствие, уменьшение потерь;
• удобство и простота крепления, лучшие условия для охлаждения обмоток;
• более высокий КПД.

Изготавливаются такие магнитопроводы из ленточной трансформаторной стали, которую сворачивают в рулон, придавая ей форму тора. Если диаметр внутреннего отверстия магнитопровода d1 (см. рис. 1б) мал и обмотки в нем не помещаются, можно отмотать часть ленты с внутренней стороны сердечника намотать ее на внешнюю. Диаметр внутреннего отверстия увеличится до d2, а внешний диаметр возрастет до D2.

После перемотки площадь сечения сердечника S2 = a2 * b несколько уменьшится по сравнению с первоначальным S1 = a1 * b. Если это нежелательно, придется подмотать ленту с другого сердечника, пока не восстановится первоначальное значение S.

Особенности изготовления обмоток для различных магнитопроводов

Обмотки при применении сердечников броневого и стержневого типа наматываются обычно на термостойкий, хорошо изолированный каркас. Термостойкая изоляция проводов будет, конечно, дороже обычной, но зато гарантирует от пробоя обмоток в результате перегрева. Каждый слой проводки изолируется несколькими прослойками эскапоновой лакоткани, а лишь затем намотка продолжается.

Различают две разновидности устройства обмоток:

1. Цилиндрические, в которых одни обмотки намотаны поверх других. Электромагнитное взаимодействие между катушками жесткое, для нормальной сварки необходим дроссель или балластный реостат, что усложняет изготавливаемое устройство.
2. Дисковые, намотанные в отдельных, изолированных друг от друга секциях. Характеризуются отчетливо выраженным электромагнитным рассеиванием. Особенно сильно оно у трансформаторов со стержневым сердечником и обмотками, разнесенными на противоположные плечи магнитопровода. Балластная нагрузка не нужна, но и потери при такой конструкции возрастают. Самодельные устройства чаще всего изготавливаются по такой схеме.

Готовые катушки стягиваются и изолируются по всей наружной поверхности киперной лентой, пропитываются масляно-битумным, эскапоновым или кремнийорганическим лаком и просушиваются при температуре около 100^о С.

Изготовить трансформатор на тороидальном сердечнике заметно труднее. Объясняется это тем, что расположить обмотки на торе и намотать их весьма непросто. Можно рекомендовать использование такой последовательности операций:

1. Обмотать сердечник хлопчатобумажной изолентой.
2. На самодельный челнок намотать провод для обмотки.
3. Челноком сквозь отверстие в торе наматывается обмотка, аккуратными движениями прижимается каждый виток. Витки равномерно распределяются по поверхности магнитопровода.
4. После каждого заполненного слоя наматывается прослойка изоляции (лучше лакоткани).
5. Наматывается следующий слой обмотки.
6. После окончания намотки первичной обмотки и ее дополнительной изоляции поверх нее наматывается вторичная обмотка, но без использования челнока.
7. После окончания намотки вторичной обмотки она стягивается киперной лентой, пропитывается лаком и просушивается.

Изготовленные в соответствии с приведенными рекомендациями трансформаторы могут служить основой недорогого, но достаточно эффективного устройства для сварки в домашних условиях.

Они не лишены недостатков, но просты и надежны в эксплуатации, не исключена возможность их дальнейшего совершенствования.