Книга. Юрий Федорович ПодольскийСварочные работы. Электродуговая. Газовая. Холодная. Термитная. Контактная сварка
 Скачать 6.42 Mb.
|
|
Стандартная методика расчета сварочного трансформатора Эта методика применима для расчета распространенных в промышленности СТ с уве- личенным магнитным рассеянием. Такой трансформатор изготовлен на основе П-образного магнитопровода. Его первичная и вторичная обмотки состоят из двух равных частей, разме- щенных на противоположных плечах магнитопровода и соединенных между собой после- довательно. Исходными данными при расчете сварочного трансформатора являются заданная мощ- ность трансформатора, коэффициент продолжительности работы, номинальный ток, напря- жение холостого хода и тепловой режим работы. Величина тока сварочного трансформатора связана с мощностью следующей зависи- мостью: P=U∙I∙cos φ. 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 источ- ника 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 ∅3 мм, подходящие для сваривания как относительно тонкой стали, так и металла значительной толщины. Сварочный ток выбирают исходя из формулы: Ю. Ф. Подольский. «Сварочные работы. Электродуговая. Газовая. Холодная. Термитная. Контактная сварка» 116 I = (20 + 6d э )d э , или же по упрощенной зависимости: I = K ∙ d э (А), где d э – диаметр электрода; К – коэффициент, который может находиться в диапазоне 25–50 А/мм. Для большинства видов работ, в основном проводящихся в нижнем горизон- тальном положении, берется коэффициент 35–40 А/мм. Таким образом, для сварки электро- дами ∅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 обла- дают средствами точного отображения сварочного тока, то сила тока обычно подбирается для конкретных работ опытным путем, так, чтобы сварочная дуга горела устойчиво, наплав- ление шло равномерно, но при этом не выделялось излишнее тепло. Для выбора числа витков обмоток трансформатора рекомендуется пользоваться эмпи- рической зависимостью параметра Е (в вольтах на виток): Е= 0,55 + 0,095Р дл Эта зависимость справедлива для широкого диапазона мощностей, однако наиболь- шую сходимость результатов дает в диапазоне 5—30 кВА. Также вводится параметр мощ- ности, учитывающий продолжительность работы трансформатора: где I 2 – номинальный сварочный ток, A; U 2 – напряжение холостого хода вторичной обмотки; ПР – коэффициент продолжительности работы, %. Коэффициент продолжитель- ности работы показывает, сколько времени (в %) трансформатор работает в дуговом режиме (нагревается), остальное время он находится в режиме холостого хода (остывает). Для само- дельных 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 I 2 . 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 транс- форматора обеспечивает выбор значения низкого ПР. Число витков (сумма обеих половин) первичной и вторичной обмоток определяют соответственно: Ю. Ф. Подольский. «Сварочные работы. Электродуговая. Газовая. Холодная. Термитная. Контактная сварка» 117 где U 1 – напряжение сети, В. Номинальный ток первичной обмотки в амперах: где k m = 1,05—1,1 – коэффициент, учитывающий намагничивающий ток трансформа- тора; – коэффициент трансформации. Сечение стали сердечника трансформатора (см 2 ) определяют по формуле: где ƒ = 50 Гц – промышленная частота тока; В m – индукция магнитного поля в сердеч- нике, Тл. Для трансформаторной стали индукция может быть принята В m = 1,5–1,7 Тл (реко- мендуются меньшие значения). Конструктивные размеры трансформатора приведены применительно к стержневой конструкции магнитопровода. Линейные размеры даны в миллиметрах: – ширина пластины стали из пакета магнитопровода; – толщина пакета пластин плеча магнитопровода b = a∙p 1 ; – ширина окна магнитопровода c = b∙p 1 , где p 1 = 1,8–2,2; p 2 = 1,0–1,2; k c = 0,95—0,97 – коэффициент заполнения стали. Измеря- емая по линейным размерам сторон собранного трансформатора площадь сечения магнито- Ю. Ф. Подольский. «Сварочные работы. Электродуговая. Газовая. Холодная. Термитная. Контактная сварка» 118 провода будет несколько больше рассчитанного значения из-за неизбежных зазоров между пластинами в наборе железа: Высота магнитопровода методикой строго не устанавливается. Его выбирают исходя из размеров катушек с проводом, крепежных размеров, а также расстояния между катуш- ками, которое выставляют при подстройке тока трансформатора. Размеры катушек опреде- ляют сечением провода, количеством витков и способом намотки. Пример расчета Для примера рассчитаем с помощью вышеприведенной методики данные для СТ с рабочим током вторичной обмотки I 2 = 160 А, выходным напряжением холостого хода U 2 = 50 В, сетевым напряжением U 1 = 220 В, ПР = 20 %. Параметр мощности Определяем значение вольт на виток: Е = 0,55 + 0,095 ∙ 3,58 = 0,89. Числа витков: Коэффициент трансформации: Ток первичной обмотки: , где принимается k m = 1,1. Cечение магнитопровода: , где принимаем В m = 1,5 Тл. Реальное сечение сердечника: Геометрические параметры магнитопровода: – ширина пластин плеч ; – толщина пакета пластин b = 37,7∙2 = 75,4 мм; – ширина окна с = 75,4∙1/2 = 90 мм. Ю. Ф. Подольский. «Сварочные работы. Электродуговая. Газовая. Холодная. Термитная. Контактная сварка» 119 При этом значение а подбирается ближайшее из сортамента трансформаторной стали, конечное значение b корректируется с учетом ранее выбранного а, ориентируясь на полу- ченные значения S и S из Упрощенный расчет обмоток Альтернативный стандартному (и упрощенный) расчет обмоток СТ будет следующим. Определяем сварочный ток, т. е. ток во вторичной обмотке, по максимальному диа- метру применяемого электрода I 2 = 30 d э , где I 2 – ток во вторичной обмотке W 2 , А; 30 – плотность тока, А/мм 2 ; d э – диаметр электрода. Сечение провода (мм 2 ) вторичной обмотки c = 75,4 ∙ 1,2 = 90, где I пл – плотность тока, А/мм 2 (для алюминия 2,5 А/мм 2 , для меди 5 А/мм 2 ). Мощность СТ (Вт), где U 2 – напряжение вторичной обмотки W 2 , B. Для однофазного СТ оптимальное U 2 = 50 B. Поперечное сечение магнитопровода, Количество витков на , где К – коэффициент, равный 45. Ток в первичной обмотке , где U 1 – напряжение сети (220 В). Сечение провода первичной обмотки Количество витков первичной обмотки W 1 : N 1 = E∙U 1 Количество витков вторичной обмотки W 2 : N 2 = 1,05 E∙U 1 , где 1,05 – поправочный коэффициент для учета потерь 5 %. Расчет нестандартного трансформатора Неприемлемость во многих случаях стандартных методик расчета заключается в том, что они устанавливают для конкретной мощности трансформатора пусть даже и опти- мальные, но единственные значения таких основных параметров, как измеренная площадь сечения магнитопровода (S из ) и количество витков первичной обмотки (N 1 ). Выше было получено сечение магнитопровода для тока 160 А, равное 28 см. На самом деле сечение маг- нитопровода для той же мощности может варьироваться в значительных пределах – от 25 до 60 см 2 и даже выше, без особых потерь в качестве работы СТ. При этом под каждое про- извольно взятое сечение необходимо рассчитать количество витков, прежде всего первич- ной обмотки, таким образом, чтобы получить на выходе заданную мощность. Зависимость между соотношением S и N1 близка к обратно пропорциональной: чем больше площадь сечения магнитопровода, тем меньше понадобится витков обеих катушек. Магнитопровод является самой важной частью СТ. Часто для самоделок используют сердечники от старых электроприборов, которые до того ничего общего со сваркой не имели. Часто такие магнитопроводы обладают весьма экзотической конфигурацией, а их геомет- Ю. Ф. Подольский. «Сварочные работы. Электродуговая. Газовая. Холодная. Термитная. Контактная сварка» 120 рические параметры невозможно изменить. Тогда приходится использовать нестандартную методику расчета. Наиболее важными при расчете параметрами, от которых зависит мощность, являются площадь сечения магнитопровода, количество витков первичной обмотки и расположение на магнитопроводе первичной и вторичной обмоток трансформатора. Сечение магнитопро- вода в данном случае измеряется по наружным размерам сжатого пакета пластин без учета потерь на зазоры между пластинами и выражается в см 2 . Как говорилось выше, по располо- жению обмоток трансформаторы можно разделить на два типа: такие, у которых первичная и вторичная обмотки (или их части) находятся на одном плече (рис. 37, а, в), и такие, у которых обмотки разнесены на разные плечи (рис. 37, б). При напряжении питания сети 220–240 В с незначительным сопротивлением в линии рекомендуются следующие формулы приближен- ного расчета витков первичной обмотки, которые при токах 120–180 А дают положительные результаты для многих типов сварочных трансформаторов. Для первого типа (с обмотками на одном плече): Для второго типа (с разнесенными обмотками): где N 1 – примерное количество витков первичной обмотки, S из – измеренное сечение магнитопровода (см 2 ), I 2 – заданный сварочный ток вторичной обмотки (A), U 1 – сетевое напряжение. При этом надо учитывать, что для трансформатора с разнесенными по разным плечам первичной и вторичной обмотками вряд ли удастся получить ток более 140 А – сказывается сильное рассеивание магнитного поля. Нельзя также ориентироваться на ток выше 200 А для остальных типов трансформаторов. Эти формулы имеют весьма приближенный вид. У трансформаторов с особо несо- вершенными магнитопроводами показатели выходного тока получаются значительно ниже. Кроме того, существует много параметров, которые нельзя определить и учесть в полной мере. Обычно неизвестно, из какого сорта железа изготовлен тот или иной магнитопровод. Напряжение в электросети может сильно изменяться (190–250 В). Еще хуже, если линия электропередачи обладает значительным собственным сопротивлением. Составляя всего единицы Ом, оно практически не влияет на показания вольтметра, обладающего большим внутренним сопротивлением, но может сильно гасить мощность сварки. Учитывая всё вышеизложенное, рекомендуется первичную обмотку трансформа- тора выполнять с несколькими отводами через 20–40 витков (рис. 38). В этом случае всегда Ю. Ф. Подольский. «Сварочные работы. Электродуговая. Газовая. Холодная. Термитная. Контактная сварка» 121 более точно можно будет подобрать мощность трансформатора или подрегулировать ее под напряжение конкретной сети. Количество витков вторичной обмотки определяется из соотношения: где U2 – желаемое напряжение холостого хода на выходе вторичной обмотки (42–70 В), U1 – напряжение сети. Рис. 38. Электрическая схема СТ со ступенчатой регулировкой тока Выбор сечения магнитопровода Все вышеприведенные методики позволяют рассчитать требуемое сечение магнито- провода, но не дают ответа на вопрос, каким именно выбрать это сечение. Например, опти- мальное значение сечения магнитопровода для типичного сварочного трансформатора мы получили ранее в примере расчета по стандартной методике (160 А, 26 см 2 ). Однако далеко не всегда оптимальные с точки зрения энергетических показателей значения являются тако- выми, а то и возможными вообще, с точки зрения конструктивных и экономических сооб- ражений. Например, трансформатор одной и той же мощности может иметь сечения магнито- провода от 30 до 60 см 2 . При этом количество витков обмоток будет различаться тоже при- мерно в два раза: для 30 см 2 придется мотать в два раза больше провода, чем для 60 см 2 Если у магнитопровода небольшое окно, вы рискуете тем, что все витки попросту не вле- зут в его объем или придется использовать очень тонкий провод. В этом случае необхо- димо увеличить сечение магнитопровода с целью уменьшения количества витков провода, Ю. Ф. Подольский. «Сварочные работы. Электродуговая. Газовая. Холодная. Термитная. Контактная сварка» 122 что актуально для многих самодельных трансформаторов. Вторая причина – экономическая. Если обмоточный провод в дефиците, то, учитывая его немалую стоимость, этот материал придется максимально экономить и, если есть возможность, наращивать магнитопровод до большего сечения. Но, с другой стороны, магнитопровод – самая тяжелая часть трансфор- матора. Лишняя площадь его сечения – лишний и притом весьма ощутимый вес. В любом случае сечение меньше чем 25–30 см 2 не рекомендуется, поскольку свароч- ный аппарат не будет обладать требуемым запасом мощности и качественную сварку полу- чить будет трудно. Да и перегрев такого аппарата после непродолжительной работы также неизбежен. Нежелательны также сечения выше 60 см 2 . Оптимальными считаются сечения сердечника S = 45–55 см 2 . Такой агрегат несколько тяжеловат, зато не подведет. Подбор витков опытным путем При решении использовать в качестве сварочного трансформатор с неизвестными характеристиками последние приходится каким-то образом выяснить. В некоторых случаях о выходной мощности трансформатора можно судить по току первичной обмотки в режиме холостого хода. Вернее, здесь можно говорить не о количественной оценке мощности в режиме сварки, а о настройке трансформатора на максимальную мощность, на которую спо- собна конкретная конструкция. Или же речь идет о контроле количества витков первичной обмотки, чтобы не допустить их недостатка в процессе изготовления. Для этого понадобится некоторое оборудование: ЛATP (лабораторный автотрансформатор), амперметр и вольтметр. В общем случае по току холостого тока нельзя судить о мощности: ток может быть разным даже для одинаковых типов трансформаторов. Однако, исследовав зависимость тока по первичной обмотке в режиме холостого хода, можно более уверенно судить о свойствах трансформатора. Для этого первичную обмотку трансформатора надо подключить через ЛATP, что позволит плавно менять напряжение на ней от 0 до 250 В. В цепь также должен быть включен амперметр. Постепенно увеличивая напряжение на обмотке, можно получить зависимость тока от питающего напряжения. Она будет иметь вид, показанный на рис. 39. Рис. 39. Исследование характеристик неизвестного трансформатора Ю. Ф. Подольский. «Сварочные работы. Электродуговая. Газовая. Холодная. Термитная. Контактная сварка» 123 Сначала кривая тока полого, почти линейно возрастает до небольшого значения, далее скорость возрастания увеличивается – кривая загибается вверх, после чего следует стреми- тельное увеличение тока. В случае, когда устремление кривой к бесконечности происходит до точки рабочего напряжения 240 В (кривая 1), это значит, что первичная обмотка содержит мало витков и ее необходимо домотать. Учтите, что трансформатор, включенный на то же напряжение без ЛATPa, будет брать ток примерно на 30 % больше. Если же точка рабочего напряжения лежит на изгибе кривой, то при сварке трансфор- матор будет выдавать свою максимальную мощность (кривая 2, ток сварки до 200 А). В случае кривых 3, 4 трансформатор будет иметь ресурс мощности, которую можно увеличить путем уменьшения витков первичной обмотки, и незначительный ток холостого хода: большинство самоделок ориентированы на это положение. Реально токи холостого хода различны для разных типов трансформаторов, в большинстве случаев находясь в интер- вале 100–500 мА. Расположение обмоток Как отмечалось выше, мощность сварочного трансформатора существенно зависит от расположения обмоток. У трансформаторов, первичная и вторичная обмотки которых раз- мещены на плечах вместе, мощность значительно выше, чем в случае, когда обмотки разне- сены на разные плечи. Например, сварочный трансформатор с П-образным магнитопрово- дом (N1 = 260 витков провода ∅2,4 мм, Sиз = 34,5 см 2 , 15,4 × 18 см, 47 В) и разнесенными обмотками (рис. 37, б) развивает ток, достаточный для работы электрода ∅3 мм – около 100– 110 А. Трансформатор, изготовленный на том же магнитопроводе, но с цилиндрическими обмотками, по половине которых располагаются на одном плече, станет в дуговом режиме выдавать ток порядка 160 А. Расположение обмоток влияет не только на мощность, но и на некоторые другие харак- теристики трансформатора. Особенно сильно изменяется отношение тока сварки к току короткого замыкания. У сварочных трансформаторов с разнесенными обмотками это отно- шение очень низкое – не более чем 1,1–1,2, т. е. ток короткого замыкания мало отличается от рабочего сварочного тока. Дуга при работе с таким аппаратом горит очень мягко. С точки зрения промышленных технологий низкое отношение значений токов является очень хоро- шим показателем. Но при этом предполагается, что сварка ведется по ровной, тщательно подготовленной поверхности длинными швами при четко установленном токе и длине дуги. Невысокий ток короткого замыкания уменьшает риск прожечь металл, особенно при работе с электродами небольшого диаметра и изящными изделиями из тонкой стали. В быту же все обстоит несколько иначе: часто приходится варить ржавый грубый металл с рваными краями на предельном для электрода токе или резать металл. В таких режимах трансфор- маторы с малым отношением токов ведут себя неудовлетворительно. Дело в том, что при сварке очень короткой дугой на относительно небольшом токе расплавленный металл зали- вает дуговой промежуток и трансформатор переходит в режим короткого замыкания. При КЗ ток возрастает, выдувая расплавленный металл, и процесс горения дуги восстанавлива- ется. Если же ток короткого замыкания низкий, то дуга гаснет и электрод залипает. Такое возможно при сварке пониженным током на рваной поверхности, когда отдельные выступы могут приближаться к концу электрода и замыкать его, а также при резке металла. Как пока- зывает практика, особенно низким отношением характеризуются именно трансформаторы П-образной конфигурации c разнесенными обмотками, расстояние между которыми в дан- ном случае особенно велико. Ю. Ф. Подольский. «Сварочные работы. Электродуговая. Газовая. Холодная. Термитная. Контактная сварка» 124 Поэтому перед намоткой провода на каркас следует определиться, какой именно режим работы для вас предпочтителен. От этого зависит способ, которым вы будете наматывать обмотки СТ. Если нужно получить более жесткий режим сварки, первичная (сетевая) обмотка состоит из двух одинаковых обмоток W 1 и W 2 , расположенных на разных сторонах сердеч- ника, соединенных последовательно и имеющих одинаковое сечение проводов. Для регули- ровки выходного тока на каждой из обмоток сделаны отводы, которые попарно замыкаются (рис. 40, а – б). Второй способ предусматривает намотку сетевой обмотки на одной из сторон сердеч- ника (рис. 40, в – г). В этом случае СТ обладает крутопадающей характеристикой, варит «мягко», длина дуги меньше влияет на величину сварочного тока, а следовательно, и на каче- ство сварки. Рис. 40. Способы намотки обмоток на сердечнике стержневого типа: а – сетевая обмотка на двух сторонах сердечника; б – соответствующая ей вторичная (сварочная) обмотка, включенная встречно-параллельно; в – сетевая обмотка на одной сто- роне сердечника; г – соответствующая ей вторичная обмотка, включенная последовательно Вторичную обмотку СТ всегда наматывают на двух сторонах сердечника. Для пер- вого способа намотки вторичная обмотка состоит из двух одинаковых половин, включенных для повышения устойчивости горения дуги встречно-параллельно. Сечение провода в таком случае можно взять несколько меньшим (15–20 мм 2 ). Для второго способа намотки основную сварочную обмотку W 1 2 наматывают на сво- бодной от первичной обмотки стороне сердечника, и это составляет 60–65 % от общего числа витков вторичной обмотки. Она служит в основном для поджига дуги, а во время сварки, за счет резкого увеличения магнитного потока рассеивания, напряжение на ней падает на 80–90 %. Дополнительную сварочную обмотку W 2 2 наматывают поверх первичной. Являясь силовой, она поддерживает в требуемых пределах напряжение сварки, а следовательно, и сварочный ток. Напряжение на ней падает в режиме сварки на 20–25 % относительно напря- жения холостого хода. Ю. Ф. Подольский. «Сварочные работы. Электродуговая. Газовая. Холодная. Термитная. Контактная сварка» 125 Рис. 41. Способы намотки обмоток на сердечнике тороидального типа: а – равномерная; б – секционная Эти же способы полностью применимы и в случае, когда обмотки СТ размещены на тороидальном магнитопроводе (рис. 41, а – б). Они тоже могут быть намотаны как равно- мерно по поверхности сердечника, так и в виде секций. Взаимное расположение обмоток и в этом случае полностью соответствует вышеописанным характеристикам, поэтому при выборе способа намотки тороидального трансформатора следует руководствоваться теми же соображениями, что и для П-образного. |