По характеру устройства обмоток различают трансформаторы с цилиндрическими и дисковыми обмотками

ТЕМА: Расчет и изготовление трансформатора.

ЦЕЛИ: рассчитать основные параметры однофазного трансформатора для его изготовления.

ОБОРУДОВАНИЕ: методические указания, калькулятор, линейка.

ХОД РАБОТЫ:

1. Теоретическая часть. Трансформатором называют статический электромагнитный аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения. Работа трансформатора основана на явлении взаимоиндукции. Простейший трансформатор состоит из стального сердечника (магнитопровода) и двух расположенных на нем обмоток.

а) б)

Рисунок 1 – Принципиальная схема включения однофазного трансформатора с потребителем а), изображение трансформатора на схеме б)

По форме сердечника различают трансформаторы броневого и стержневого типов.

Рисунок 2 – Типы магнитных сердечников: а - броневой, б - стержневой.

Трансформаторы стержневого типа, по сравнению с трансформаторами броневого типа, имеют более высокий КПД и допускают большие плотности токов в обмотках. С варочные трансформаторы обычно, за редким исключением, бывают стержневого типа.

По характеру устройства обмоток различают трансформаторы с цилиндрическими и дисковыми обмотками.

Рисунок 3 – Типы обмоток трансформаторов:

а - цилиндрическая обмотка, б - дисковая обмотка. 1 - первичная обмотка, 2 - вторичная обмотка.

Рисунок 4 – Самодельный сварочный аппарат

В трансформаторах с цилиндрическими обмотками одна обмотка намотана поверх другой. Так как обмотки находятся на минимальном расстоянии друг от друга, то практически весь магнитный поток первичной обмоткой сцепляется с витками вторичной обмотки. Только некоторая часть магнитного потока первичной обмотки, называемым потоком рассеяния, протекает в зазоре между обмотками и поэтому не связана со вторичной обмоткой. Такой трансформатор имеет жёсткую характеристику. Трансформатор с такой характеристикой не годится для ручной сварки. Для получения падающей внешней характеристики сварочного аппарата, в этом случае, используют или балластный реостат или дроссель. Наличие этих элементов усложняет устройство сварочного аппарата.

В трансформаторах с дисковыми обмотками первичная и вторичная обмотки отдалены друг от друга. Поэтому значительная часть магнитного потока первичной обмотки не связана со вторичной обмоткой. Ещё говорят, что эти трансформаторы имеют развитое электромагнитное рассеяние. Такой трансформатор имеет, необходимую, падающую внешнюю характеристику. Индуктивность рассеяния трансформатора зависит от взаимного расположения обмоток, от их конфигурации, от материала магнитопровода и даже от близко расположенных к трансформатору металлических предметов. Поэтому точный расчёт индуктивности рассеяния практически невозможен. Обычно, на практике, расчёт ведётся методом последовательных приближений с последующим уточнением обмоточных и конструктивных данных на практическом образце.

Регулировка сварочного тока, обычно, достигается изменением расстояния между обмотками, которые выполняются подвижными. В бытовых условиях трудно выполнить трансформатор с подвижными обмотками. Выход может быть в изготовлении трансформатора на несколько фиксированных значений сварочного тока (на несколько значений напряжения холостого хода). Более тонкая регулировка сварочного тока, в сторону уменьшения, может осуществляется укладыванием сварочного кабеля в кольца (кабель будет сильно нагреваться).

Особенно сильным рассеиванием и, следовательно, крутопадающей характеристикой отличаются трансформаторы П-образной конфигурации у которых обмотки разнесены на разные плечи, так как расстояние между обмотками у них особенно велико.

Рисунок 5 – Обмотки трансформатора разнесенные на разные плечи:

1 - первичная, 2 - вторичная.

Но они теряют много мощности и могут не дать ожидаемый ток.

Основные параметры сварочного трансформатора

Прежде чем приступить к расчету сварочного трансформатора, необходимо четко определиться - на какой величине сварочного тока его предстоит эксплуатировать. Для электросварки в бытовых целях чаще всего используются покрытые электроды диаметром 2, 3 и 4 мм. Для сварки двухмиллиметровыми электродами выбирается ток порядка 70А; "тройка" чаще всего работает на токе 110-120А; для "четверки" потребуется ток 140-150А.

Приступая к сборке трансформатора, разумным будет установить для себя предел выходного тока, и мотать обмотки под выбранную мощность.

Потребляемая мощность сварочного трансформатора, и аппарата в целом, будет равна:

P = U_х.х. × I_св. × cos(φ) / η, где

U_х.х. - напряжение холостого хода,

I_св. - ток сварки,

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 cos(φ) можно принять равным 0,8.

η - КПД. Для сварочного трансформатора КПД можно принять равным 0,7.

Коэффициент трансформации трансформатора n, отношение числа витков первичной обмотки N₁ к числу витков вторичной обмотки N₂:

n = N₁/N₂ = U₁/U₂ = I₂/I_1, где

U₁, U₂ - напряжение первичной и вторичной обмоток,

В; I₁, I₂ - ток первичной и вторичной обмоток, А.

Стандартная методика расчета трансформатора

Эта методика применима для расчета распространенных сварочных трансформаторов с увеличенным магнитным рассеянием, следующего устройства. Трансформатор изготовлен на основе П-образного магнитопровода. Его первичная и вторичная обмотки состоят из двух равных частей, которые расположены на противоположных плечах магнитопровода. Между собой половины обмоток соединены последовательно.

Рисунок 6 – Устройство сварочного трансформатора

Введем параметр мощности, учитывающий продолжительность работы трансформатораP_дл в кВт:

P_дл = U₂ × I₂ × × 0.001

где ПР - коэффициент продолжительности работы, %. Коэффициент продолжительности работы показывает, сколько времени (в процентах) трансформатор работает в дуговом режиме (нагревается), остальное время он находится в режиме холостого хода (остывает). Для самодельных трансформаторов ПР можно считать равным 20-30%.

Для выбора числа витков обмоток трансформатора рекомендуется пользоваться эмпирической зависимостью электродвижущей силы одного витка E (в В/виток):

E = 0,55 + 0,095 × P_дл

Эта зависимость справедлива для широкого диапазона мощностей, однако наибольшую сходимость результатов дает в диапазоне 5-30 кВт.

Количество витков (сумма обеих половин) первичной и вторичной обмоток определяются соответственно:

N₁ = U₁/E;

N₂ = U₂/E

где U₁ - напряжение сети, В.

Номинальный ток первичной обмотки в амперах:

I₁ = I₂ × k_m/n, где

k_m=1.05-1.1 - коэффициент, учитывающий намагничивающий ток трансформатора;

n = N₁/N₂