Что такое сварочный трансформатор

Сварочные трансформаторы — это конструкции для ручной, автоматической, дуговой сварки деталей. Их условно можно разделить на бытовые и профессиональные аппараты в зависимости от технических характеристик. Получаемое электричество перерабатывается до нужного значения для устройства. Принцип действия сварочного трансформатора в этом и заключается. Аппарат состоит из нескольких узлов, которые вместе образуют электрическую дугу.

Конструкция устройства

Схема устройства не является сложной. Многие пользователи способны самостоятельно заняться сборкой такой конструкции. Самая простая схема сварки будет работать на одной фазе. Но этого более чем достаточно.

Она состоит из трёх составляющих:

• магнитный привод или сердечник;
• первый слой обмотки;
• второй слой обмотки.

Таким элементом, как магнитный привод или сердечник, является деталь из ферромагнитного сплава с замкнутым контуром. Первый слой обмотки соединяется с сетью, а второй направляется на массу и держатель электрода, которым непосредственно осуществляется сварка. При этом контур теряет сопротивление, а электромагнитная связь повышается.

Но это конструкция самой простой модели. Более профессиональные модели имеют и дополнительные элементы, такие как дроссель и другие.

Полная конструкция обыкновенного сварочного трансформатора состоит из следующих элементов:

• сердечник;
• держатель коробки;
• зажим для сцепки проводов;
• металлический ящик;
• жалюзи для охлаждения;
• рукоятка;
• болт;
• крышка конструкции;
• вертикальный винт;
• винтовая гайка;
• первичная и вторичная обмотка трансформатора.

Принцип работы аппарата

Работает сварочный трансформатор по такому алгоритму: постепенно понижается напряжение до 55−80 В, и в то же время повышается сила тока до 50−450 ампер. В работе подобная конструкция в основном функционирует благодаря принципу переменного тока. Но есть и альтернативные модели, которые выдают постоянный ток. Также встречаются названия — выпрямительные сварочные аппараты.

Работает оборудование похожим образом. После соединения с сетью по первичному контуру проходит переменный ток, который и создаёт магнитное поле. И в первой, и второй обмотке проходит электрическая сила. Её можно определить в зависимости от количества витков обмотки.

К примеру, первая обмотка имеет 200 витков, а вторая 10. Коэффициент в этом случае выходит 200:10 = 20. Когда такое оборудование подключаем к обычной сети, то на выходе мы получим примерно одиннадцать ватт.

Для смены нагрузки сварки зачастую меняют зазор магнитного привода. Если зазор увеличить, то сила тока уменьшится. Если уменьшить зазор, то, соответственно, увеличится. Подобрать нужное напряжение можно, узнав количество витков.

Из чего состоит сварка

Такое устройство, как сварка, позволяет понизить напряжение и в этот же момент увеличить силу тока. Это и даёт возможность нагревать металл до нужной для его плавления температуры. Параметры силы и напряжения определяются в момент проектирования и создания трансформаторной сварки. Под определённые функции аппарат оборудуется специальными деталями, которые и определяют назначение работы конструкции.

Кроме первой и второй обмоток и магнитного привода, трансформатор имеет такие детали, как винт с вертикальной резьбой и рукоятка, позволяющая ему вращаться, винтовая гайка и зажимы. Также сварка оборудована корпусом с вентиляцией и подвесной системой, которая защищает сварку от внешних повреждений.

В трансформаторах, работающих по принципу переменного тока, есть и другие детали, позволяющие облегчить работу мастера.

Дополнительные узлы аппарата

Трансформатор для сварки как однофазный, так и трёхфазный и выпрямляющий, может иметь и определённое количество дополнительных узлов. С их помощью аппарат будет работать более качественно.

В качестве дополнительных узлов могут выступать:

• дополнительные обмотки;
• стабилизаторы;
• конденсаторы;
• регуляторы фаз.

Некоторые конструкции оборудованы подвижным шунтом. Расстояние между обмотками меняется за счёт образования новой детали, а не за счёт движения второго слоя обмотки. Дополнительной деталью является шунт, который будет менять зазор между обмотками. Ещё одна обмотка даст возможность регулировки напряжения.

И заводские профессиональные модели, и бытовые, как правило, требуют дополнительного сопротивления. Профессиональные мастера могут произвести соответствующую регулировку. Специальные возможности возникают и без разведения обмоток. Опытный мастер может сделать, таким образом, тонкие или толстые швы.

Подобное сопротивление может быть сделано в виде цельного корпуса. В нём расположены различные контакты, с помощью которых можно регулировать сопротивление.

Различные виды конструкции

Принцип действия бытового или профессионального образца определяет то, какими техническими характеристиками владеет определённый прибор. В связи с этим образовалось множество принципов и факторов классификации подобной аппаратуры. Например, на многопостные и однопостные. Последние предназначены исключительно для бытового использования. Они рассчитаны на инвертор в 3−9 кВт. Домашние сети не рассчитаны на мощность более 10 кВт.

В отличие от предыдущих, многопостные конструкции имеют сложное строение. Они считаются профессиональными и применяются с мощностью более 10 кВт. С одним таким аппаратом может одновременно работать до десяти человек.

Также можно разделить трансформаторы по фазному принципу на однофазный и трёхфазный аппарат. Существуют модели, которые могут переключаться на различное напряжение в сети.

Для применения в домашних условиях могут подойти однофазные агрегаты, а для профессионального уровня трёхфазные. По этому фактору можно определить и напряжение на выходе. Толстые детали можно сварить исключительно трёхфазным аппаратом, так как однофазные не смогу этого сделать.

Классифицировать можно также и по типу аппарата. В основном выделяют три лидирующие группы сварок:

• Аппараты с минимальным рассеиванием магнитного поля. Характерно для такого аппарата наличие дросселя.
• Конструкции с большим рассеиванием магнитного поля. Они имеют довольно сложную схему. Основные её детали — это несколько обмоток, конденсаторов и стабилизаторов. Не исключено присутствие и других дополнительных элементов.
• Тиристорные конструкции. Оборудованы фазорегулятором. Характерные особенности и преимущества — это маленький вес, большая сила тока.

Такую классификацию можно применять только к устройствам с переменным током. Сварочные трансформаторы постоянного тока к этому не относятся. Для подобных конструкций характерными особенностями являются большие габариты, сложная схема и наличие выпрямителя. Самодельный сварочный аппарат постоянного тока своими руками может сделать только профессионал.

Они являются более надёжными и удобными в работе. Такой сварочный аппарат считается профессиональным при условиях использования его на постоянном токе. Этим прибором можно работать с различными видами цветных металлов. Их стоимость довольно высока, и в связи с этим применяются для сварки только профессиональными мастерами. Домашние требования может исполнить и сварочный трансформатор переменного тока.

Все модели переменного тока можно сделать самостоятельно, как и трансформатор для полуавтомата своими руками. В качестве исходного материала можно использовать трансформаторы советского производства с двойной намоткой.

Холостой ход

Сварочные конструкции могут работать как под напряжением, так и в режиме холостого хода. Когда создаётся сварочный шов, между электродом и непосредственно объектом сварки замыкается второй слой обмотки. С помощью электрического тока металл плавится и соединяет две детали в одну конструкцию. Когда детали связаны между собой, аппарат прекращает работу и включает состояние ожидания (холостой ход).

Сборка конструкции своими руками

Все элементы будущей конструкции должны быть на отведённых местах и состоять из металла и текстолита.

По правилам сборки и большинству схем выпрямитель находится вблизи с трансформатором, а дроссель на одном уровне с выпрямителем. Регулятор напряжения должен находиться на панели аппаратного управления. Как основа для конструкции подойдёт и сталь, но рекомендуется использовать алюминий.

Можно использовать и приобретённый корпус для аппарата, например, основы для системного блока компьютера или т. п. Но главное — это прочность и надёжность конструкции.

Важно и то, что тиристоры должны размещаться на отдельной плате и далеко от трансформатора. Далеко от него также должен быть расположен выпрямитель.

Причиной такому расположению является сильное нагревание дросселя и непосредственно трансформатора.

С появлением электричества появилась возможность соединять металлические элементы с помощью сварки. Для этого применяются специальные сварочные трансформаторы, работающие от трёхфазного и однофазного напряжения. Однофазные модели предназначены для включения в стандартную бытовую сеть 220 Вольт. А трехфазный сварочный аппарат, чаще всего, применяется в производственных целях, он обладает большой мощностью, габаритами и продолжительной эксплуатацией без перерыва. Однако есть на рынке данной техники и универсальные устройства, которые могут работать и от 220 В, и от 380В. Разумеется, что для разных материалов существует свой индивидуальный процесс сварки, поэтому каждый сварочный агрегат оборудован системой регулировки и точной настройки.

Принцип действия сварочного трансформатора

По принципу действия он не отличается от другого обычного понижающего трансформатора, только вот токи вторичной обмотке уж очень высокие, так как он работает в режиме короткого замыкания. Если закоротить вторичную обмотку обычного трансформатора, то в таком режиме он проработает недолго, так как она быстро перегреется и выйдет из строя. Вторичная обмотка сварочного рассчитана на большие токи, поэтому и выполнена медным проводом большого сечения. Напряжение U2 (на выводах вторичной обмотки) напрямую зависит от количества витков в ней.

Конечно же, мало только уменьшить выходное напряжение, нужно ещё и изменять силу тока. Для этого трансформаторы оборудуются механизмом, раздвигающим обмотки на большее расстояние, тем самым снижая магнитный поток, который, в свою очередь, уменьшает ток во вторичной обмотке.

Устройство и классификация трансформаторов, применяемых в сварочных аппаратах

Любой трансформатор для сваривания металлических различных элементов состоит из:

1. Магнитопровода;
2. Изолированную первичную обмотку;
3. Вторичная обмотка;
4. Вентилятор, для охлаждения.

В зависимости от сварочных работ происходит и управление процессом сварки,все сварочные агрегаты делятся аппараты переменного и постоянного тока. Конечно же, сам трансформатор не может работать на постоянном токе поэтому сам процесс выпрямления осуществляется после понижения напряжения. Для этого применяются:

• управляемые тиристоры, которые непросто дают постоянный ток для сварки элементов, но осуществляют изменение силы тока во время этого процесс;
• неуправляемые вентили диоды, вместе с дросселем.

Назначение сварочного трансформатора

Сварочный понижающий трансформатор является ключевым элементом, создающим дугу во время сварки металлических деталей. Напряжение на выходе этого понижающего устройства, работающего в режиме короткого замыкания, допускается не более 80 Вольт. Для процесса ручной дуговой сварки обязательно нужны электроды. Бытовые трансформаторы для дома выполнены по однофазной схеме обладают небольшими токами при сваривании. Главное, в бытовых условиях также стоит следить и за наличием хорошего контакта в розетке, так как токи в первичной обмотке для квартир и домов тоже очень существенны и не каждая розетка их выдержит.

Сварочные трансформаторы переменного тока

Такая конструкция считается самой не дорогой, но в то же время обладающей неплохими характеристиками сварки чёрных металлов. Для того чтобы регулировать ток и соответственно дугу во время этого процесса сварочный агрегат оборудован раздвижной системой, увеличивающей расстояние между катушками, а также площадь сердечника. Они из-за своей ценовой категории очень распространены на производстве, особенно в цехах с устаревшим оборудованием. Обладают довольно крупными размерами и зачастую устанавливаются стационарно.

И также как регулятор тока для сварочного аппарата, применяются отдельно расположенные дросселя, который добавляет индуктивности в цепь. Самый простой способ, но самый эффективный, регулировки напряжения и силы тока во время выполнения сварочных работ — это вывод нескольких контактных точек со вторичной обмотки. Кончено же, плавности изменения силы дуги в таком аппарате не получится добиться.

Сварочные трансформаторы постоянного тока

Такие приборы более эффективны для сваривания различных материалов обладают меньшими габаритами и плавным регулированием силы тока. Любой трансформатор не может работать на постоянном токе, это факт.

На рисунке показана простейшая схема такого агрегата, которую можно сделать и своими руками. Она гарантирует стабильные выходные характеристики сварочного тока и дуги, которая является ключевым аспектом любой сварки.

Сварщики знают, что при работе от положительного зажима выделяется больше тепла, чем от отрицательного. Следовательно для разной толщины металла стоит вырабатывать свою методику.

Существуют и новые разработки в этой отрасли так называемые сварочные аппараты инверторного типа. Трансформатор здесь работает на повышенных частотах, что даёт возможность снизить и габариты устройства, его вес, и токи первичной обмотки без последствий для создания качественной дуги.

Сварочный трансформатор ВДМ

Аппараты ВДМ производственного сварочного многопостового выпрямителя, устанавливается зачастую стационарно и предназначен для сварочных постов дуговой электросварки с помощью металлического электрода. Очень часто ВДМ подключаются к трёхфазной сети 380 Вольт. Во взрывоопасной среде, насыщенной пылью разной фракции, или же содержащей едкие газовые пары, разрушающие сталь и изоляцию, эксплуатация строго запрещена. Конструктивно в ВДМ есть возможность регулировать величину тока реостатом и дросселем.

Как рассчитать сварочный трансформатор

Изготовление трансформатора для сварочных работ, который должен быть близок по своим характеристикам к промышленному образцу, нужно проводить стандартными методиками подсчёта. Данная методика подойдет больше бытовому устройству, она содержит оптимальные значения обмоток и минимальные габаритные размеры сердечника.

Существует два вида сердечника:

При этом стержневые имеют немного большие показания КПД (коэффициента полезного действия) нежели броневые.

Прежде чем приступить непосредственно к расчету сварочного понижающего трансформатора, необходимо определить его мощность, которая зависит от того какая величина тока нужна для его эксплуатации. Наиболее распространенные варианты от 70 до 150 А. Разумно будет брать максимально допустимые токи вторичной обмотки немного выше порядка 180–200 А.

Мощность сварочного трансформатора переменного тока, и аппарата в целом, будет равна:

P = U2 × I2 × cos (φ) / η

где, U2 — напряжение холостого хода сварочного трансформатора рекомендуется от 30 до 60 Вольт, I2 — ток сварки, cos (φ) угол сдвига фаз между током и напряжением. В случае расчета потребляемой мощности cos (φ) можно взять равным 0,8; η- КПД, для данного устройства примерно можно принять равным 0,7.

А также стоит учесть при этом и продолжительность эксплуатации трансформатора, так как, скорее всего, ему пройдется работать не один час.

Pдл = U2 × I2 × (ПР/100)1/2 × 0.001

ПР — это коэффициент длительности работы в смену, рекомендуется порядка 20-30 %;

Намотка сварочного трансформатора

Зачастую намотка производится уже на имеющееся железо и вот формулы примерного числа витков

С обмотками на одном плече (рисунок ниже, а):

N1 = 7440 × U1/(Sиз × I2)

С разнесенными обмотками (рисунок ниже, б):

N1 = 4960 × U1/(Sиз × I2)

Sиз — измеренное сечение магнитопровода (см2)

Такой способ расчета считается упрощённым. Ниже прилагается формула расчета сечения медного провода, которым непосредственно и будет выполнена намотка.

Плотность тока в обмотках берётся из справочника для медного провода J = 2,5 А/мм2. Для сварочного аппарата постоянного тока ВДМ агрегат оборудуется тремя первичными и тремя вторичными обмотками, поэтому расчёт производится инженерами и без квалификации его проблематично соорудить.

Улучшение сварочного трансформатора

Для улучшения нужно сократить слишком большую вторичную обмотку в 3–4 раза, уменьшив в ней напряжение холостого хода до 22–25 вольт, а вот для стабильного и уверенного зажигания дуги, прибавить небольшую слаботочную обмотку с напряжением 80–110 вольт. Переменный ток каждой из обмоток проходит выпрямление на диодных мостах, после чего обмотки подключаются параллельно друг другу.

Но также для усовершенствования и улучшения длительной работы сварочного трансформатора особенно в летнюю жаркую погоду необходимо использовать приточную или же вытяжную вентиляцию.

Известный многим трансформатор для дуговой сварки по своей сути является преобразователем сетевого напряжения. Он увеличивает переменный ток до величины, обеспечивающей условия получения дугового разряда.

Достичь этого удаётся за счёт понижения питающего напряжения до некоторого значения, что по правилу трансформации позволяет во столько же раз увеличить ток в нагрузочной цепочке. В основе действия трансформатора положен закон электромагнитной индукции.

Принцип работы преобразователя

Для лучшего понимания принципа действия устройства желательно детально ознакомиться с особенностями его конструкции, а также с тем, какие типы сварочных трансформаторов чаще всего применяются на практике. Не будет лишним и внимательное изучение возможности самостоятельного изготовления таких агрегатов.

Назначение сварочного трансформатора состоит в понижении сетевого напряжения до 50-60 Вольт, что позволяет получать значительный по величине ток во вторичной обмотке (прядка тысячи ампер).

Реализации этого принципа способствуют конструктивные особенности трансформаторного устройства. Оно состоит из мощного сердечника с размещёнными на нём двумя рабочими обмотками (катушками).

Имеющиеся на сердечнике катушки электрически изолированы одна от другой, но пронизываются общими силовыми линиями магнитного поля (то есть, связаны за счёт электромагнитного эффекта).

При включении трансформатора в сеть в первичной обмотке появляется небольшой по величине ток, формирующий электромагнитное поле, распространяющее своё действие и на вторичную катушку.

Согласно закону сохранения энергии при преобразовании сетевого напряжения мощность тока в катушке с меньшим количеством витков остаётся той же.

По причине того, что во вторичной обмотке сварочного трансформатора действует меньшее по амплитуде переменное напряжение – на выходе удаётся получить больший по величине нагрузочный ток. Следует напомнить, что мощность равна току, умноженному на напряжение.

Способ управления током в нагрузке

Известные виды сварочных трансформаторов классифицируются по мощности преобразовательного устройства, фазности его подключения и способу управления величиной переменного тока в нагрузке. Мощность и фазность относятся к типовым характеристикам электрооборудования и не нуждаются в специальных пояснениях.

Гораздо больший интерес представляет последний показатель, имеющий принципиальное значение для понимания сути происходящих в трансформаторе процессов. Особенностью конструкции трансформатора для сварочного аппарата является возможность изменять величину тока во вторичной цепи, меняя при этом условия проведения сварки.

Различные варианты исполнения вторичных цепей сварочного трансформатора предусматривают возможность регулировки тока в нагрузке следующими способами:

• изменением импеданса (индуктивного сопротивления) нагрузочной цепи;
• переключением цепей вторичной обмотки с изменением задействованного числа витков;
• за счёт использования принципа фазного регулирования, реализуемого с помощью мощных тиристорных переключателей.

Гораздо реже используется подвижная конструкция вторичной обмотки, благодаря которой удаётся управлять величиной магнитного потока.

Вследствие разнообразия вариантов преобразовательных изделий, при выборе в первую очередь ориентируются на тип регулятора тока сварочного трансформатора.

Так, оснащённые тиристорным блоком преобразователи хоть и считаются более совершенными в сравнении с электромеханическими моделями, однако из-за сложности конструкции они могут чаще выходить из строя.

Самостоятельное изготовление

Перед самостоятельной сборкой сварочного трансформатора, эксплуатация которого возможна в домашних условиях, необходимо вкратце ознакомиться с рядом требований, предъявляемых к этому устройству.

Расчет самодельного устройства

Согласно схемному решению, к вторичной обмотке трансформатора подключаются две толстые медные шины, ответные концы которых подсоединяется к электродному держателю и свариваемой заготовке. За счёт этих подключений образуется замкнутая цепь для сварочного тока, обеспечивающая получение дугового разряда, необходимого для сварки.

Помимо этого необходимо предусмотреть возможность работы самодельного сварочного трансформатора в режиме перегрузок, что требует тщательного расчёта его основных параметров (эти показатели рекомендуется выбирать с небольшим запасом). Чтобы рассчитать трансформатор, нужно определить вначале его требуемую мощность, затем количество витков на первой и второй обмотках.

Расчеты нельзя назвать простыми. В их основу должны быть заложены данные по обмоточным проводам и выбору их сечения, обеспечивающие соответствие входных и выходных параметров заданным характеристикам.

Также следует побеспокоиться о вспомогательных приспособлениях, облегчающих намотку (и перемотку, в случае необходимости) первичной катушки сварочного трансформатора с большим количеством витков.

Использование СВЧ

В отдельных случаях в качестве преобразователя напряжения может использоваться трансформатор от пришедшей в негодность СВЧ печи (микроволновки), в котором достаточно будет заменить лишь вторичную обмотку.

Для самостоятельного изготовления лучше всего выбрать простейший агрегат без встроенной автоматики, в основу применения которого заложено выполнение основных рабочих функций. С таким аппаратом будет проще работать, да и ремонт его в случае необходимости можно произвести без излишних затрат нервов и времени.

Неприхотливость в обслуживании и ремонте изделий этого класса объясняется простотой их конструктивного решения, позволяющей быстро найти пришедшую в негодность деталь и заменить её исправной.

При самостоятельном изготовлении трансформатора следует учитывать и возможность обустройства на его основе сварочного инвертора, получаемого после добавления к трансформатору импульсного модуля.

Относительная сложность конструкции этого устройства полностью компенсируется его лучшими техническими показателями, оказывающими существенное влияние на рабочие параметры сварочной дуги.

Промышленные образцы

Промышленные образцы трансформаторного оборудования представлены на отечественном рынке изделиями под заводским обозначением ТД и ТДМ. Популярностью отечественного покупателя пользуются модели марки ТДМ с величинами сварочного тока 315, 400 и 500 Ампер соответственно.

Данные по потребляемой мощности для этих образцов сварочного оборудования, рассчитанных на работу от сетей 220 и 380 Вольт, колеблются в пределах от 30 до 160 киловатт Ампер.

Особого внимания заслуживает и такой показатель эффективности работы трансформаторного устройства как его внешняя характеристика, представляющая собой зависимость действующего на выходе напряжения от нагрузочного тока.

Её крутизной определяется качество и стабильность образующейся при сварке дуги, а также её взаимосвязанность с действующими токовыми показателями.

Специалисты по сварке рекомендуют при покупке готового оборудования отдавать предпочтение агрегатам с резко падающей выходной (внешней) характеристикой.

При этом для обеспечения оптимальных условий текущего процесса желательно, чтобы характеристика приобретаемого аппарата имела общие точки с аналогичной зависимостью для сварочной дуги.

Серия промышленных аппаратов ТД относится к исключительно однофазной и многопостовой разновидности агрегатов трансформаторного типа. В большинстве конструкций этого класса предусматривается подвижная вторичная обмотка со специальным регулятором тока.

Современные образцы однофазного оборудования, помимо этого оснащаются специальным электролитическим элементом, предназначенным для компенсации индуктивных потерь в проводах (так называемым «конденсатором мощности»).

Как обслуживать

Трансформатор является самым простым и доступным вариантом преобразовательного оборудования, техническое обслуживание которого в домашних условиях занимает минимум сил и времени.

При работе надо следить, чтобы сварочный ток не превышал предельного значения, а обмотки не перегревались. Обслуживание также заключается в смазке механизма регулировки (это можно делать раз в месяц).

Следует проверять надежность контактов, целостность изоляции, подключение заземления сварочного трансформатора, не допускать его загрязнения. Можно продувать устройство струей сухого воздуха, сметающего пыль.

Если сварочный трансформатор стоит на открытой площадке, то надо защитить его от влаги. Вообще излишняя влажность и механические повреждения могут вывести его из строя. Но это относится к большинству электрического оборудования.

При выполнении основных правил эксплуатации, трансформатор прослужит много лет. С его помощью можно будет выполнить большую часть бытовых работ с достаточно высоким качеством получаемых сварочных соединений.