Сварочный трансформатор: расчет, устройство и схема

Устройство сварочного трансформатора и характеристики

Для возникновения дуги, обеспечивающей нагрев и оплавление кромок заготовки, необходимо изменить характеристики электроэнергии, подаваемой из сети.
Сварочный трансформатор преобразует поступающее электричество следующим образом:

• напряжение снижается;
• поднимает ток.

В преобразовании электроэнергии участвуют следующие узлы:

Блок сварочного трансформатора

• магнитопроводы;
• первая обмотка, собранная из изолированного кабеля;
• двигается вторая обмотка. Делается из провода без изоляции, это необходимо для повышения теплоэффективности;
• винтовая пара;
• маховик для управления парой винтов;
• клеммные колодки для сварных кабелей.

В состав сварочных агрегатов входят дополнительные компоненты, предназначенные для улучшения их работы.

Классификация сварочных трансформаторов

Сварочный трансформатор как техническое средство имеет несколько вариантов конструкции, в основном разделенных по принципу действия и назначению. Наиболее важными классификационными критериями являются:

• напряжение питания: 220 или 380 В;
• количество фаз на вводе: 1 или 3 фазы;
• номинальный сварочный ток: для серийно выпускаемого трансформатора до 400 А, для специального назначения есть варианты на 1000 А;
• номинальное «напряжение холостого хода»: от 48 до 70 В;
• режим питания сварочного аппарата: импульсный или непрерывный;
• размеры и вес: в широком диапазоне — от переноски на плече до мощных моделей, которым нужна тележка или грузоподъемное оборудование.

Условия эксплуатации тоже вносят свои коррективы. Сварочный трансформатор может быть стационарным или мобильным, в обычном или водонепроницаемом корпусе.

Виды трансформаторов

Сварочный трансформатор доступен в нескольких вариантах исполнения. Каждый тип предназначен для определенных целей:

• схема с амплитудным регулированием и магниторассеиванием нормального типа: корпус должен иметь дроссель на самом магнитопроводе и катушке, обмотки выполнены из меди или алюминия;
• схема с регулировкой амплитуды и усиленным рассеянием магнитного поля: система дополнена специальным шунтом (или шунтами), увеличивающим мощность;
• тиристорная схема: регулирование осуществляется с помощью силовых тиристоров.

Напряжение сети

Назначение сварочного трансформатора определяется приложенным входным напряжением:

• 220 В: этот вариант лучше покупать для домашних работ, а не для тяжелой сварки;
• 380В: Повышенное напряжение используется для выработки значительного тока, что позволяет обрабатывать металлические заготовки повышенной толщины, поэтому данные модели чаще всего нужны для производственных или ремонтных целей.

Функционал трансформатора

По основному назначению трансформаторный сварочный аппарат предназначен для выработки электрического тока значительной силы. Однако работа с прямым «произведением» вторичной обмотки может быть затруднена.

Это объясняется простотой конструкции, поэтому для улучшения параметров выходного тока возникает необходимость создания модернизированных типов сварочных трансформаторов, устроенных по модульному принципу.

То есть каждый введенный узел можно заменить его аналогом с другими характеристиками — это изменит сварочный ток и напряжение в заданном направлении. Наиболее важными дополнительными элементами являются:

• обмотки: позволяет регулировать силу тока в широком диапазоне, переключаться между ними или дополнять друг друга;
• тиристоры, диодные мосты: для точной настройки силы тока и продолжительности сварочного процесса;
• стабилизаторы: для выравнивания и поддержания входного напряжения при его критическом изменении (например, при работе рядом мощного потребителя напряжение в сети резко упадет — стабилизатор этого не допустит);
• сопротивление: для плавного изменения тока с ограниченным регулированием катушек и обмоток;
• конденсаторы: для увеличения импульсного эффекта при сварке постоянным током.

С развитием технической мысли к трансформатору стали добавлять диодные мосты и регуляторы — в качестве контроллеров.

Количество рабочих постов

Сварочный трансформатор выпускается только в 2-х вариантах:

• для работы сварщика – «однопостовая», мощностью до 10 кВт (на большее бытовой электропроводки вряд ли хватит);
• для работы двух и более сварщиков — «многостанционные», со значительной мощностью.

Последний используется в промышленности и чаще всего является стационарным.

Способ регулировки силы тока

Установка силы тока осуществляется несколькими способами:

• увеличение или уменьшение количества подключаемых обмоток (преимущественно вторичных);
• размещение во внутреннем объеме вторичной обмотки нагрузки индуктивного или резистивного типа;
• регулирование ЭДС сердечника;
• использование полупроводников.

Возможностей для перемен предостаточно, самое главное определиться с оптимальным расположением. Каждый из них сразу влияет на качество сварного шва, поэтому следует проконсультироваться с опытным специалистом.

Устройство пускового механизма

В состав пускового узла входят — магнитопровод, две обмотки и клеммы. Переключатели изменяют напряжение и общее количество обмоток, подключенных к выпрямителю. В первичной цепи установлен регулятор, собранный на основе полупроводников (тиристоров). Вторая обмотка, подключенная к выпрямительному мосту, обеспечивает два уровня переменного напряжения.

Трансформаторный расцепитель

Для пускового блока требуется напряжение 220 В. Ток варьируется от 0 до 120 А, а напряжение достигает 70. При изготовлении блока своими руками за основу берется стержневой трансформатор, на его первую обмотку наматывают 230 витков , и 32 на втором. Полупроводники панели управления монтируются над индуктором. Для охлаждения всей системы используется принудительная вентиляция.

Устройство магнитопровода

Ключевыми частями магнитопровода являются пластины или пластины из электромагнитной стали. К конструктивным деталям относятся крепежные детали, корпус и др. магнитопроводы сварочных трансформаторов делятся на стержневые и бронированные.

В устройствах стержневого типа все отрезки магнитопровода имеют одинаковое поперечное сечение. В магнитопроводах бронированного типа только средний стержень, на котором установлены обмотки, имеет полное сечение.

Типы магнитопроводов трансформаторов

Сечения остальных частей магнитопровода почти в два раза меньше. На них происходит замыкание магнитного потока. На участках магнитопровода, имеющих Т-образную форму, каждое имеет свое сечение. При этом размер в три раза меньше самого стержня. Для каждого из участков замыкается третья часть потока.
Входящие в комплекты пластины покрыты специальной смесью, которая называется оксидной изоляцией.
Принцип работы сварочного трансформатора
Сварочное оборудование работает по алгоритму:

1. Питание подается на первую обмотку. Он генерирует магнитный поток, замыкающийся на сердечнике.
2. Затем ток направляется на другую обмотку.
3. Магнитная цепь, состоящая из ферромагнетиков, создает постоянное магнитное поле. Индукционный ток создает ЭДС.
4. Разница в числе оборотов означает, что ток может колебаться с параметрами, необходимыми для сварки. Эти же показатели учитываются при расчете оборудования для сварки.

Существует зависимость между количеством витков на второй катушке и выходным напряжением. Это означает, что для увеличения тока необходимо увеличить число витков. Но так как сварочный трансформатор понижающего типа, то число витков на второй обмотке будет меньше, чем на первой.
Устройство и принцип работы сварочного трансформатора обеспечивают регулировку величины тока.

Это достигается уменьшением или увеличением расстояния между витками.
Для этого в сварочном оборудовании устанавливаются подвижные элементы. Расстояние между обмотками изменяет сопротивление и это дает возможность точно подобрать ток, необходимый для сварки.

Холостой ход

Оборудование для сварки работает в двух режимах — рабочем и холостом. При сварке вторая обмотка замыкается между рабочим инструментом и заготовкой. Ток оплавляет края заготовок, в результате чего достигается надежное соединение деталей. После того, как сварщик закончит свою работу, цепь размыкается и трансформатор переходит в режим холостого хода.
ЭДС в первой обмотке появляется из-за наличия:

• магнитный поток;
• его распространение.

Трансформатор без нагрузки

Эти силы возникают от направления потока в магнитной цепи и замыкаются между катушками в воздухе. Именно эти силы являются основой холостого хода.
Холостой ход не должен представлять опасности для рабочего — сварщика — и окружающих. То есть оно не должно быть более 46 В.

Но отдельные модели сварочного оборудования имеют большие значения, например, 60 — 70 В. В этом случае в конструкции сварочного аппарата устанавливается ограничитель параметра холостого хода. Скорость выполнения операции не превышает одной секунды с момента разрыва цепи и окончания работы. Для дополнительной защиты сварщика корпус трансформатора необходимо заземлить.

Это означает, что напряжение, которое может возникнуть на коробке в результате повреждения изоляции, может уйти на землю, не причинив вреда рабочему — сварщику.

Схема сварочного трансформатора и ее модификации

Сварочное оборудование состоит из:

• трансформатор;
• единиц, чтобы изменить размер потока.

Для зажигания и поддержания дуги необходимо обеспечить наличие индуктивного сопротивления второй обмотке.
увеличение индуктивного сопротивления вызывает изменение наклона статистических параметров источника энергии. В результате это приводит к постоянству всей системы «источник тока — дуга».

Электрическая схема сварочного трансформатора типа ТДМ

У сварочных аппаратов, работающих под нагрузкой, величина мощности во много раз превышает потери, которые они несут при работе на холостом ходу.

Сварочная аппаратура с шунтом

Задание распространения магнитного поля осуществляется изменением геометрических параметров пространства между элементами магнитопровода. Ввиду того, что магнитная проницаемость железа выше, чем у воздуха, движение шунта изменяет сопротивление току, проходящему через воздух. Если шунт вставлен полностью, индуктивное сопротивление определяется зазорами между ним и элементами магнитопровода.

Оборудование для шунтовой сварки

Трансформаторы этого типа предназначены для решения производственных задач.

Сварочные трансформаторы с секционными обмотками

Такое оборудование выпускалось в ХХ веке для решения производственных и бытовых задач. Они имеют несколько степеней установки количества витков в обеих катушках.

Секция обмотки трансформатора

Тиристорные сварочные трансформаторы

Фазовый сдвиг тиристора используется для регулировки напряжения и тока. При этом среднее значение напряжения изменяется.

Для работы однофазной сети требуется два тиристора, соединенных между собой. При этом их установка должна быть синхронной и симметричной. Трансформаторы на основе полупроводников (тиристоры) имеют жесткую статическую характеристику. Регулировка напряжения осуществляется с помощью тиристоров.

Тиристоры хороши для регулировки напряжения и тока в электрических цепях переменного характера, дело в том, что замыкание происходит при смене полярности.

В цепях постоянного тока для замыкания тиристоров применяют резонансные цепи. Но это сложно, дорого и накладывает определенные трудности на возможность регулирования.

Тиристорные сварочные трансформаторы

В полупроводниковых трансформаторах тиристоры монтируются в первой обмотке, на это есть две причины:

1. Вторичные токи в сварочных источниках значительно превышают предельный ток тиристоров, он достигает 800 А.
2. Высокий КПД, так как потери из-за падения напряжения в открытых вентилях в первой обмотке в несколько раз ниже по сравнению с рабочей.

В современных устройствах используются алюминиевые обмотки; к ним на концах приварены медные накладки для повышения надежности конструкции.

Отличия и разновидности оборудования

В производстве используются следующие типы сварочных аппаратов:

Виды сварочного оборудования

• трансформаторы;
• выпрямители;
• преобразователи.

Также отлично:

• полуавтоматический;
• генераторы — сварочные аппараты с бензиновым или дизельным электрогенератором;
• и другие промышленные объекты.

Сварочные трансформаторы

Так называют устройство, предназначенное для преобразования переменного тока, полученного из сети, в напряжение, необходимое для выполнения электросварки.

Сварочный трансформатор

Ключевым узлом этого устройства является трансформатор, понижающий напряжение сети до уровня холостого хода.

Достоинства и недостатки сварочных трансформаторов

К несомненным достоинствам данного оборудования можно отнести достаточно высокий КПД от 70 до 90%, простоту эксплуатации и высокую ремонтопригодность. Кроме того, устройства этого класса отличаются низкой стоимостью.

В то же время устройства этого типа иногда не в состоянии обеспечить постоянство дуги. Это связано с особенностями переменного тока. Для достижения качественной сварки целесообразно использовать электроды, приспособленные для работы с переменным током. Кроме того, колебания входного напряжения также негативно сказываются на качестве сварки.

Устройства этого типа нельзя использовать для работы с нержавеющей сталью и цветными металлами. Большой вес устройства и его габариты вызывают ряд трудностей при транспортировке с места на место.
Но следует отметить, что сварочный трансформатор – неплохой выбор для домашних нужд.

Сварочные выпрямители

Оборудование, преобразующее переменное напряжение, поступающее от источника питания, в постоянное напряжение, необходимое для выполнения электросварки.
На практике применяют несколько схем выпрямителей, где реализованы разные способы получения выходных параметров по напряжению и току. Используйте различные способы настройки параметров токовых и вольт-амперных характеристик.

Сварочные выпрямители

Эти методы включают в себя:
Изменение настроек трансформатора, использование дросселя, настройка полупроводниками (тиристорами и транзисторами).

В простейших устройствах для регулирования тока используется трансформатор, а для его выпрямления — диодные схемы. В силовую часть такого оборудования входят трансформатор, выпрямитель, дроссель.

Достоинства и недостатки сварочных выпрямителей

Главное преимущество выпрямителей перед трансформаторами в том, что для сварки используется постоянный ток. Этим обеспечивается качество зажигания и сохранение параметров дуги, а, следовательно, и качество сварного шва.

Использование выпрямителя позволяет сваривать не только обычную сталь, но и обрабатывать нержавеющую сталь и цветные металлы. Кроме того, необходимо учитывать, что при сварке с применением выпрямителей образуется небольшое количество брызг.

На самом деле описанные преимущества дают однозначный ответ на вопрос — какой прибор выбрать трансформатор или выпрямитель, но конечно не стоит забывать и о стоимости этого оборудования.
Есть у выпрямителей и некоторые недостатки — большой вес конструкции, потери мощности, падение напряжения в сети при сварке. Кстати, все сказанное в полной мере относится и к трансформерам.

Читайте также: Триггеры на транзисторах (Шмитта) и реле (на логических элементах)

Сварочные инверторы

Оборудование этого типа предназначено для преобразования постоянного тока в переменный. Преобразователь работает следующим образом. Ток с частотой 50 Гц поступает на выпрямитель. На ней после прохождения фильтра она сглаживается и преобразуется в переменную. Частота такого тока оставляет несколько килогерц.

Современные схемы позволяют получать ток частотой 100 Гц. Этот этап преобразования является наиболее важным в работе преобразователя и позволяет добиться значительных преимуществ по сравнению с другими моделями сварочного оборудования.

После этого результирующее высокочастотное напряжение падает до значения холостого хода. А ток увеличивается до величины, достаточной для сварки, т.е до значения 100 — 200 А.

Схема инвертора и используемые в работе комплектующие позволяют создавать сварочные аппараты с малым весом и высокими техническими характеристиками.
Компании — производители выпускают аппараты для сварки:

• в ручном режиме;
• неплавящийся электрод в среде аргона;
• в полуавтоматическом режиме под защитой газов и многие другие.

К несомненным достоинствам этого класса техники можно отнести — небольшой вес и габариты. Это позволяет без особых проблем перемещать инвертор по строительной или производственной площадке.
Преобразователь не содержит трансформатора, и это позволило избежать потерь на нагрев обмоток и перемагничивания сердечника и добиться высокого КПД.

При сварке электродом диаметром 3 мм потребляется все 4 кВт мощности из сети, показатель сварочного трансформатора или выпрямителя 6 — 7 кВт.

Схема инверторного сварочного аппарата

Схемы, применяемые в преобразователях, позволяют формировать практически все параметры вольт-амперных характеристик — это говорит о том, что устройства данного типа пригодны для использования при всех видах сварки. Кроме того, инверторы обеспечивают работу с легированной, нержавеющей сталью и цветными металлами.

Схема инвертора не нуждается в частых и длительных перерывах в работе.

Конструкция преобразователя позволяет плавно регулировать режимы сварки во всем диапазоне токов и напряжений, необходимых для сварки. Преобразователь имеет широкий диапазон токов от единиц до сотен тысяч.

В быту используются устройства, позволяющие делать металл относительно тонкими электродами до 3 мм. Использование приспособлений этого уровня позволяет формировать шов в разных положениях и обеспечивает минимум брызг расплавленного металла, возникающих при сварке.

Инверторные сварочные аппараты

Выпускаемые сегодня инверторные сварочные аппараты в основном управляются микропроцессором. Это позволяет:

• обеспечивают увеличение тока при поджигании дуги;
• минимизировать прилипание электрода к заготовке и ряд функций, облегчающих работу сварщика.

После сварки с трансформатором или выпрямителем работу с преобразователем по праву можно считать отпуском.
Между тем инверторы имеют ряд недостатков. В частности, ремонт инвертора может влететь в копеечку. Кроме того, к агрегатам инверторного типа предъявляются повышенные требования к условиям хранения. Это связано с тем, что преобразователи содержат множество элементов микроэлектроники.

На что обращать внимание при выборе

Нужно понимать, что выбор сварочного оборудования – задача не из легких, и решается она в несколько этапов.

1. Необходимо знать марку свариваемых материалов и тип необходимого шва. Так для обработки стали или нержавейки достаточно аппарата, обеспечивающего ручную дуговую сварку. Для сварки обычной стали можно использовать аппараты переменного и постоянного тока. Для работы с нержавейкой необходимо использовать приборы постоянного тока. Технические характеристики сварочного трансформатора позволяют работать с разными материалами.

1. В зависимости от величины тока устройства на 200 А относятся к бытовым, а на 300 — к профессиональным.
2. В зависимости от вида работ полуавтоматы, имеющие сложную конструкцию и достаточно высокую стоимость, отличаются высокой производительностью и простотой в эксплуатации.
3. Инверторы имеют малые габариты и вес и широкий диапазон настроек.
4. Немаловажное значение имеет место работы, особенно климатические условия.
5. Безусловно, принимая решение о выборе устройства, необходимо учитывать производителя.

Возможные неисправности и ремонт

Сварочное оборудование, как и любое техническое устройство, всегда может выйти из строя. Есть некоторые признаки, которые позволяют выявить возникшие неполадки.

Возможные неисправности

Например, при сварке происходит постоянный прижим электрода. Это может быть вызвано низким напряжением, неправильной установкой тока, неправильным выбором электрода и рядом других причин.
Отсутствие дуги может быть вызвано обрывом кабеля, перегревом сварочного оборудования и рядом других причин.

Для ремонта сварочного трансформатора нужно иметь некоторые знания, то есть нужно умение читать электрические схемы и умение выполнять электромонтажные работы. Поэтому имеет смысл обратиться в мастерскую для ремонта и обслуживания в случае неисправности.

Как правильно смонтировать трансформатор

Сварочное оборудование должно быть надлежащим образом заземлено. Для облегчения жизни на трансформаторах установлены специальные болтовые зажимы с сопроводительной надписью «ЗЕМЛЯ».

Классификация по разным критериям

Сварочное оборудование классифицируется по следующим признакам — по фазам, по применяемости.
На практике применяют однофазные и трехфазные сварочные аппараты. Однофазные агрегаты в основном используются для сварки переменным током. Трехфазный применяется в строительстве и промышленности.

К однофазным блокам относятся блоки марки TD. По сути, это трансформаторы с хорошим магнитным рассеиванием и подвижными обмотками. Они снабжены механическими регуляторами, выполненными в виде винта.
Трехфазные агрегаты используются для сварки трехфазной дугой. Этот метод повышает производительность сварки, экономит энергию и распределяет нагрузку между фазами.

Трехфазный сварочный трансформатор

Трехфазные аппараты используются для организации многопостовой сварки. В частности, использование такого оборудования позволяет использовать как минимум два электрода одновременно. В конструкцию устройства внесены некритичные изменения. Такое использование оборудования позволяет повысить экономический эффект сварки.

Устройство сварочного трансформатора ТДМ

В состав трансформатора ТДМ входят следующие части:

Сварочный трансформаторный блок ТДМ

• металлический корпус;
• клеммы для сварки;
• руль для настройки устройства;
• магнитопроводы;
• первая обмотка;
• другие обмотки;
• пара винтов для подвижных частей обмоток.

Принцип работы трансформатора ТДМ

Как уже было сказано, в конструкцию устройства ТДМ входит магнитопровод, представленный в виде набора стальных пластин и изолированных обмоток. Ток, поступающий от сети электропитания, поступает на первичную обмотку. В этот момент вторая обмотка, которая является подвижной, должна быть соединена со сварочным электродом и заготовкой.

Между обмотками имеется зазор, определяющий параметры сварочного тока и напряжения. Чем больше зазор, тем больше сварочный ток. Это достигается за счет распространения магнитного поля.

Сварочный трансформатор своими руками

Чтобы сделать сварочный аппарат своими руками, необходимо понимать основные принципы работы. Первым шагом является определение текущего параметра мощности. Для сварки массивных заготовок потребуется большая мощность генерируемого тока.

Кроме того, нельзя забывать, что этот параметр жестко привязан к тому, какие электроды будут использоваться во время работы. Для работы с металлом от 3 до 5 мм необходимо использовать электроды 3 — 4 мм. При толщине металла менее 2 мм вполне достаточно электродов 1,5 — 3 мм.

Другими словами, если планируется использовать электроды толщиной 4 мм, сила тока должна быть 150 — 200 А, а электроды толщиной 2 мм сила тока должна быть 50 — 70 А.
Дуга формируется с помощью трансформатора, состоящего из обмоток и магнитопровода.