Стандартная методика расчета сварочного трансформатора

Дата: 2015-04-13 19:42
 

Эта методика применима для расчета распространенных в промышленности СТ с увеличенным магнитным рассеянием. Такой трансформатор изготовлен на основе П-образного магнитопровода. Его первичная и вторичная обмотки состоят из двух равных частей, размещенных на противоположных плечах магнитопровода и соединенных между собой последовательно.

Исходными данными при расчете сварочного трансформатора являются заданная мощность трансформатора, коэффициент продолжительности работы, номинальный ток, напряжение холостого хода и тепловой режим работы.

Величина тока сварочного трансформатора связана с мощностью следующей зависимостью:
Р = U • I • cosφ,
где φ — угол сдвига фаз между током и напряжением.

Так как сам трансформатор является индуктивной нагрузкой, то угол сдвига фаз всегда существует. В случае расчета потребляемой мощности cosφ можно принять равным 0,8.

Однако для сварщика наиболее важной характеристикой является не мощность источника питания, а развиваемый им ток в дуговом режиме, так как именно на ток рассчитаны электроды соответствующих диаметров и марок.

Для электросварки в бытовых целях чаще всего используются покрытые электроды из низколегированной стали диаметром 2, 3 и 4 мм. Из них наибольшее распространение получили электроды диаметром 3 мм, подходящие для сваривания как относительно тонкой стали, так и металла значительной толщины.

Сварочный ток выбирают исходя из формулы:
I = (20 + 6dэ)dэ,
или же по упрощенной зависимости:
I = К • dэ (А),
где dэ — диаметр электрода; К — коэффициент, который может находиться в диапазоне 25—50 А/мм. Для большинства видов работ, в основном проводящихся в нижнем горизонтальном положении, берется коэффициент 35—40 А/мм. Таким образом, для сварки электродами диаметром 2 мм выбирают ток порядка 70 А; «тройка» чаще всего работает на токе 110— 120 А; для «четверки» потребуется 140—150 А. Естественно, для сваривания особенно массивных изделий и для резки металла выбирают токи еще выше. Для сваривания тонкого металла и потолочных швов, напротив, ток необходимо уменьшать. Так как большинство СА не обладают средствами точного отображения сварочного тока, то сила тока обычно подбирается для конкретных работ опытным путем, так, чтобы сварочная дуга горела устойчиво, наплавление шло равномерно, но при этом не выделялось излишнее тепло.

Для выбора числа витков обмоток трансформатора рекомендуется пользоваться эмпирической зависимостью параметра Е (в вольтах на виток): Е = 0,55 + 0,095Рдл.

Эта зависимость справедлива для широкого диапазона мощностей, однако наибольшую сходимость результатов дает в диапазоне 5—30 кВА. Также вводится параметр мощности, учитывающий продолжительность работы трансформатора:

Формула - продолжительность работы трансфоматора

где I2 — номинальный сварочный ток, А; U2 — напряжение холостого хода вторичной обмотки; ПР — коэффициент продолжительности работы, %. Коэффициент продолжительности работы показывает, сколько времени (в %) трансформатор работает в дуговом режиме (нагревается), остальное время он находится в режиме холостого хода (остывает). Для самодельных конструкций и переносных промышленных трансформаторов минимальный ПР считают равным 15—20 %.

Следует отметить, что в любом случае выходная мощность СА остается неизменной, рассчитанной на заданный ток I2. Ничто не мешает принять ПР равным, скажем, 60 % или даже 100 %, а эксплуатировать трансформатор на меньшем значении, как на практике обычно и происходит. Однако наилучшее сочетание обмоточных данных и геометрии трансформатора обеспечивает выбор значения низкого ПР.

Число витков (сумма обеих половин) первичной и вторичной обмоток определяют соответственно:

Формула - Число витков первичной и вторичной обмоток

где U1 — напряжение сети, В.

Номинальный ток первичной обмотки в амперах:

Формула - Номинальный ток первичной обмотки

где km = 1,05—1,1 — коэффициент, учитывающий намагничивающий ток трансформатора; n = N1 / N2 — коэффициент трансформации.

Сечение стали сердечника трансформатора (см2) определяют по формуле:

Формула - Сечение стали сердечника трансформатора

где f = 50 Гц — промышленная частота тока; Вm — индукция магнитного поля в сердечнике, Тл. Для трансформаторной стали индукция может быть принята Вm = 1,5—1,7 Тл (рекомендуются меньшие значения).

Конструктивные размеры трансформатора приведены применительно к стержневой конструкции магнитопровода. Линейные размеры даны в миллиметрах:
— ширина пластины стали из пакета магнитопровода

Формула - определение ширины пластины сварочного трансформатора

— толщина пакета пластин плеча магнитопровода b = а • p1;
— ширина окна магнитопровода c = b • p2;
где p1 = 1,8—2,2; p2 = 1,0—1,2; kc = 0,95—0,97 — коэффициент заполнения стали. Измеряемая по линейным размерам сторон собранного трансформатора площадь сечения магнитопровода будет несколько больше рассчитанного значения из-за неизбежных зазоров между пластинами в наборе железа:

Формула - измеряемая площадь сечения магнитопровода

Высота магнитопровода методикой строго не устанавливается. Его выбирают исходя из размеров катушек с проводом, крепежных размеров, а также расстояния между катушками, которое выставляют при подстройке тока трансформатора. Размеры катушек определяют сечением провода, количеством витков и способом намотки.

Пример расчета.
Для примера рассчитаем с помощью вышеприведенной методики данные для СТ с рабочим током вторичной обмотки I2 = 160 А, выходным напряжением холостого хода U2 = 50 В, сетевым напряжением U1 = 220, ПР = 20%.

Параметр мощности

Пример расчета параметра мощности трансформатора

Определяем значение вольт на виток: Е = 0,55 + 0,095 • 3,58 = 0,89.

Числа витков:

Пример расчета количества витков первичной и вторичной обмотки


Коэффициент трансформации:

Пример расчета коэффициента трансформации

Ток первичной обмотки:

Пример расчета тока первичной обмотки сварочного трансформатора

где принимается km = 1,1.

Сечение магнитопровода:

Пример расчета сечения трансформатора

где принимаем Вm = 1,5 Тл.

Реальное сечение сердечника:

Пример расчета реального сечения трансформатора

Геометрические параметры магнитопровода:
— ширина пластин плеча

Пример расчета ширины плеча магнитопровода

— толщина пакета пластин b = 37,7 • 2 = 75,4мм;
— ширина окна с = 75,4 • 1,2 = 90 мм.
При этом значение а подбирается ближайшее из сортамента трансформаторной стали, конечное значение b корректируется с учетом ранее выбранного а, ориентируясь на полученные значения S и Sиз.