П-образный сварочный трансформатор

Дата: 2015-04-17 22:47
 

Наиболее распространенным типом среди сварочных трансформаторов промышленного изготовления являются всевозможные варианты П-образных трансформаторов. Велика их популярность и среди самодельных конструкций благодаря хорошим сварочным характеристикам и относительной простоте в изготовлении. Основные части любого трансформатора — катушки и набор магнитопровода — здесь обычно собирают отдельно друг от друга и лишь в конце объединяют в единую конструкцию. Это не только упрощает процесс сборки, но и повышает добротность и надежность СТ, так как можно применить и рационально разместить жесткие провода большего сечения.

Магнитопровод П-образного трансформатора состоит из набора пластин и имеет прямоугольную форму с катушками с обеих сторон на длинных частях плеч. Методики для расчета параметров такого СТ были представлены выше.

Чаще всего самым дефицитным элементом самодельной конструкции является магнитопровод. Поэтому его характеристики и становятся обычно точкой отсчета. Диапазон геометрических размеров магнитопровода вписывается в такую «формулу»: минимальный — такой, чтобы влезли катушки с проводом; максимальный — такой, чтобы можно было поднять. Сечение набора пластин при этом может лежать в интервале 25—60 см2.

Магнитопровод П-образного трансформатора собирают из пластин двух типов: одинаковой ширины и толщины, но разной длины. Более длинные пластины идут на плечи катушек; короткие — на замыкающие плечи. Впрочем, и это условие может быть нарушено: магнитопровод можно собрать из пластин одинаковой длины, тогда он получится квадратным. Ухудшение сварочных характеристик в этом случае не будет слишком заметно, хотя прибавка в весе менее рационально собранного железа может стать существенной. При сборке направление пластин может чередоваться — одна через одну; или же его можно чередовать пакетами по три пластины. Последний способ распространен при промышленной сборке, но при ручном изготовлении он не даст ощутимых преимуществ, да еще придется вручную сортировать пластины по три штуки.

В самодельных и бытовых конструкциях главным образом отрабатываются самые простые схемы П-образного сварочного трансформатора, по большей части с одной из приведенных выше компоновок обмоток. Более сложные промышленные схемы с подвижными обмотками, магнитным шунтированием магнитопровода, интегрированным в магнитопровод дросселем в быту, как правило, не используются ввиду сложности реализации и значительной прибавки в весе.

Если обмотки трансформатора выполнены цилиндрическими, то теоретически на противоположных плечах должно размещаться ровно по половине первичной и вторичной обмоток трансформатора. Однако на практике это может быть и не так, особенно если катушки выполнены с регулирующими отводами.

В идеале внешняя характеристика такого силового трансформатора должна устремляться в сторону жесткой благодаря минимальному магнитному рассеиванию. Но на самом деле такие трансформаторы обладают нормальными сварочными характеристиками. И даже если они выполнены на компактных магнитопроводах с плотно сидящими обмотками, то и при этом не приходится прибегать к каким-либо дополнительным средствам улучшения горения дуги. Это подтверждают тысячи изготовленных по подобной схеме и успешно эксплуатируемых самодельных конструкций. Кроме того, такой СТ может обеспечить наивысший КПД, а значит, максимальную выходную мощность сварки. Тем более что характеристику вполне можно подправить сразу же в процессе изготовления, увеличив магнитное рассеивание путем добавления воздушных зазоров между слоями обмоток.

Трансформаторы, у которых обмотки разнесены по разным плечам, используют достаточно редко по причине низкого тока КЗ и значительной разницы в мощности. (Пример различия характеристик таких СТ приведен выше в главе «Расположение обмоток»).

Однако иногда бывает чрезвычайно целесообразен промежуточный вариант расположения обмоток, где часть вторичной обмотки намотана поверх первичной, а оставшаяся часть — на противоположном плече, где витков первичной нет. В таком случае достигается больший прирост тока КЗ по сравнению с разнесенной схемой, но меньшая мощность, чем в случае типичного трансформатора с цилиндрическими обмотками.

Подобная схема может понадобиться по следующим причинам. В бытовых условиях мощность трансформатора 180—200 А востребована крайне редко. Как правило, она не нужна и даже нежелательна, особенно если обмотки выполнены слабым проводом, а сеть не держит чересчур мощную нагрузку. Как известно, для уменьшения мощности следует увеличивать количество витков первичной обмотки, что влечет за собой увеличение числа витков и вторичной, — приходится больше мотать провода, который занимает место. В компактных магнитопроводах может оказаться, что места для лишних витков попросту нет. Тогда и придет на помощь комбинированная схема (рис. 44), когда уменьшение мощности ведется не за счет витков, а за счет иного расположения обмоток. При этом одна секция вторичной обмотки может содержать 30—60 % от полного числа вторичных витков. Чем большая часть витков вторичной обмотки расположена поверх первичной, тем большей будет выходная мощность при сварке.

Комбинированная схема расположения обмоток на магнитопроводе

Рис. 44. Комбинированная схема расположения обмоток на магнитопроводе

Теперь рассмотрим практические моменты изготовления П-образного трансформатора. Как отмечалось ранее, выгодное отличие П-образного трансформатора в том, что катушки можно изготовить отдельно от магнитопровода. Подобной эффективностью при сборке отличаются далеко не все типы конструкций самодельных трансформаторов. Перед намоткой катушек сначала для них необходимо изготовить каркасы, куда и будет укладываться провод. В простейшем случае каркас может быть сделан из нескольких слоев толстого картона, свернутого в виде короба. Но лучше каркас сделать из более жесткого материала: ДВП, текстолита, фанеры и т. д. Внутренние размеры каркаса делают несколько большими, чем сечение магнитопровода, хотя бы по бокам так, чтобы между ними оставались зазоры по несколько миллиметров. В зазоры потом забивают фиксирующие колышки.

При укладке жесткого провода придется прилагать значительные усилия, и это может деформировать и испортить каркас. Поэтому внутрь полости каркаса необходимо временно поместить какой-нибудь жесткий материал, заполняющий весь его внутренний объем. Обычно для этого используют дерево, но ни в коем случае нельзя использовать один сплошной деревянный брус. Ведь если каркас под давлением провода сильно ужмется, то деревянную вставку потом невозможно будет извлечь без риска повреждения готовой обмотки. Лучше вставить 2—3 сложенные вместе доски. Одну из них всегда можно будет безболезненно удалить, после чего выйдут и остальные.

Боковые щечки на каркасах сварочных трансформаторов можно не делать, они будут только препятствовать оттоку тепла из внутренних слоев обмоток. Однако каждый слой провода необходимо надежно фиксировать. Для этого под слой провода в 3—4 местах с разных сторон поперек виткам кладут отрезки киперной ленты из ткани или грубые веревки. После завершения слоя лента стягивается и завязывается, надежно фиксируя витки.

Между слоями провода укладывают изоляцию — лакоткань, киперную или стеклотканевую ленту. В случаях, когда межслоевая изоляция занимает значительный объем и препятствует охлаждению трансформатора, что особенно актуально для компактных конструкций с ограниченным объемом магнитопровода, для межслоевой изоляции можно использовать несколько слоев крепкого и жесткого скотча.

Некоторые авторы рекомендуют пропитывать готовые обмотки специальным пропиточным лаком или же покрывать слои провода эмалевой краской. Но здесь нужно учитывать, что пропиточный лак по технологии сохнет только при высокой температуре, для чего используют сушильные шкафы. К тому же применение красок и лаков может привести к отрицательным последствиям в будущем, если предполагается перемотка катушек (а полностью такую возможность в самодельном трансформаторе исключить нельзя). Высохшая краска намертво склеит витки обмотки, и при их рассоединении будет содрана собственная изоляция провода, после чего последний придет в негодность.

Между слоями провода и между обмотками рекомендуется вставлять поперечные планки толщиной 7—10 мм. Это нужно прежде всего для образования внутри обмоток воздушных зазоров, через которые будет выходить теплый воздух. Это улучшит вентиляцию и температурный режим трансформатора. Кроме того, зазоры увеличивают объем катушек, а значит, и магнитное рассеивание трансформатора, что самым положительным образом сказывается на его сварочных характеристиках. Планки могут быть изготовлены из дерева или любого другого диэлектрика. Их ставят несколько штук по длине витка катушки с определенными интервалами. В компактных магнитопроводах с внутренней стороны планки не ставят, чтобы не занимать лишний объем окна. Имеет смысл устанавливать планки через каждые два слоя провода (кроме первого слоя), тогда каждый слой одной стороной будет выходить на воздушный зазор (рис. 45, а).

Организация вентиляции обмотки СТ

Рис. 45. Организация вентиляции обмотки СТ:
а — на прямоугольном каркасе; 6 — на цилиндрическом каркасе

В некоторых случаях, если размеры магнитопровода позволяют, легче изготовить каркас для обмоток круглого сечения, особенно если есть отрезки подходящей картонной или пластмассовой трубы. Мотать на круглом каркасе легче, тем более обеспечивается лучшая сохранность провода, так как отсутствуют прямые изгибы на углах. Увеличенные зазоры между каркасом и магнитопроводом заполняют деревянными кольями соответствующих размеров и формы (рис. 45, б).

На завершающей стадии сборки классического П-образного трансформатора готовые катушки надевают на уже сложенный П-образный фрагмент магнитопровода, после чего набивают пластины заключительного верхнего плеча. Потом магнитопровод плотно стягивают на краях с помощью пластин и шпилек, а в зазоры между каркасами катушек и железом забивают фиксирующие колышки. В некоторых случаях пластины имеют на краях отверстия, что дает возможность стягивать магнитопровод шпильками сквозь отверстия по его углам. В этом случае шпильки следует изолировать: натянуть кембрик, обмотать изолентой или просто покрасить. Также следует обязательно изолировать шпильки и гайки от стягивающих пакеты пластин, подложив в места сопряжения изолирующие шайбы. Если этого не сделать, то может возникнуть ситуация, аналогичная короткозамкнутому витку, и, как следствие, разогрев магнитопровода, падение мощности и ухудшение свойств трансформатора.

Иногда для изготовления П-образного трансформатора используют крупные Ш-образные пластины. В них зубилом вырубают средние сегменты, получая П-образные пластины (рис. 46). Недостаток такого решения в том, что намотанные катушки при сборке можно будет посадить лишь на короткие плечи, так как у большинства Ш-образных трансформаторов ширина пластины больше высоты. Если же наматывать обмотки на уже собранный магнитопровод, протягивая каждый виток через окно, трансформатор такого конструктивного типа покажет довольно высокие КПД и выходную мощность.

Получение П-образных пластин из Ш-образных

Рис. 46. Получение П-образных пластин из Ш-образных

Принципиальное значение имеет способ соединения между собой находящихся на разных плечах обмоток. Взаимное направление потоков в противоположных плечах должно быть направлено в разные стороны относительно их продольных осей. Это значит, что направление течения тока в витках катушек на разных плечах должно быть в разные стороны: в одной — по часовой стрелке; в другой — против часовой. Наматывать все катушки имеет смысл в одну сторону, а при сборке СТ устанавливать их таким образом, чтобы направление намотки совпадало на обоих стержнях. Тогда соединять обмотки между собой на разных плечах будет проще — началами, т. е. выводами изнутри катушек.

Последние же, верхние витки нужно будет включать в питающую или сварочную цепь для первичной или вторичной обмотки соответственно. Разумеется, выводы можно соединить и наоборот — концами, т. е. последними, верхними витками. Тогда подключение к сети и сварочной цепи осуществляется от внутренних — первых — витков. Если обмотки соединить неправильно — в противофазе, то в случае первичной трансформатор возьмет непомерный ток и будет сильно гудеть при включении; для вторичной же выходное напряжение будет близко к нулю.

Катушки должны иметь хорошую корпусную изоляцию и прочно закрепляться на стержнях деревянными клиньями. Разумеется, окно магнитопровода должно быть таким, чтобы катушки, расположенные на противоположных стержнях, не касались друг друга.