Стандартная методика расчета

Здесь приводится методика, применимая для расчета распростра­ненных в промышленности сварочных трансформаторов с увеличенным магнитным рассеянием. Трансформатор изготовлен на основе П-образного магнитопровода (рис. 1.22). Его первичная и вторичная обмотки состоят из двух равных частей, которые расположены на противоположных плечах магнитопровода. Соединены между собой половины обмоток на разных плечах последовательно.

Исходными данными при расчете сварочного трансформатора яв­ляются заданная мощность трансформатора, коэффициент продолжительности работы, номинальный ток, напряжение холостого хода и тепловой режим работы. Для выбора числа витков обмоток транс­форматора рекомендуется пользоваться эмпирической зависимостью параметра Е (в вольтах на виток):

E = 0,55 + 0,095 P_дл

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:

P_дл = U₂ · I₂ (ПР/100)^1/2 · 10^-3

где I₂ - номинальный сварочный ток, A; U₂ - напряжение холостого хода вторичной обмотки; 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 конструкций и переносных про­мышленных трансформаторов ПР можно считать равным 15...20%.

Комментируя вышесказанное, следует отметить, что сам ПР в об­щем-то не влияет на выходной ток трансформатора, впрочем, как и соотношения витков трансформатора не слишком-то сказываются на параметре ПР у готового изделия. ПР в большей степени зависит от других факторов: сечения провода и плотности тока, изоляции и спо­соба укладки провода, вентиляции. Однако с точки зрения приведен­ной методики считается, что для различных ПР более оптимальными будут несколько отличные соотношения между количеством витков катушек и площадью сечения магнитопровода, хотя, в любом случае, выходная мощность остается неизменной, рассчитанная на заданный ток I₂. Ничто не мешает нам принять ПР, скажем, 60% или все 100%, а эксплуатировать трансформатор на меньшем значении, как на практике обычно и происходит. Хотя, по-моему, лучшее сочетание обмоточных данных и геометрии трансформатора обеспечивает вы­бор значения ПР пониже.

Числа 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; п =N₁/ N₂ - коэффициент трансформации.

Сечение стали сердечника трансформатора (см²) определяется по формуле:

S = U₂·10⁴/(4,44·ƒ·N_2·B_m),

где ƒ = 50 Гц - промышленная частота тока; В_т - индукция магнит­ного поля в сердечнике, Тл. Для трансформаторной стали индукция может быть принята В_т = 1,5...1,7 Тл, рекомендуется принимать бли­же к меньшему значению.

Конструктивные размеры трансформатора приведены примени­тельно к стержневой конструкции магнитопровода. Линейные разме­ры даны в миллиметрах:

α = (S·100/(p₁·k_c))^1/2;

• толщина пакета пластин плеча магнитопровода b = α·p₁;

Высота магнитопровода методикой строго не устанавливается и выбирается исходя из размеров катушек с проводом, крепежных размеров, а также учитывается расстояние между катушками, которое выставляется при подстройке тока трансформатора. Размеры катушек определяются сечением провода, количеством витков и способом намотки.

Пример расчета

Для примера возьмемся рассчитать с помощью вышеприведенной методики данные для сварочного трансформатора, рассчитанного на рабочий ток вторичной катушки I₂ = 160 А, с выходным напряжением холостого хода U₂ = 50 В, сетевым напряжением U₁ = 220 В, значение ПР примем, скажем, 20%. Будем сразу подставлять заданные значения в приведенные выше формулы.

Итак, параметр мощности:

Определяем значение вольта на виток:

Числа витков:

Коэффициент трансформации:

Ток первичной обмотки:

где принимается k_m = 1,1.

И, наконец, сечение магнитопровода:

где принимаем В_m = 1,5 Тл.

Сразу же рассчитаем измеряемое значение S_из, так как на практике именно его приходится подбирать:

Геометрические параметры магнитопровода:

• ширина пластин плеч магнитопровода

• толщина пакета пластин магнитопровода

b = 37,7∙2 = 75,4 мм;

Сварочный ток можно регулировать, перемещая секции первичной и вторичной обмоток относительно друг друга. Чем больше расстояние между первичной и вторичной обмотками, тем меньшим будет выходная мощность сварочного трансформатора.

Таким образом, для сварочного трансформатора с ходовым током 160 А нами были получены значения основных параметров: суммарное количество витков первичных катушек N₁= 247 вит. и измеряемая площадь сечения магнитопровода S_ИЗ = 28,4 см . Так как был отдельно проведен расчет трансформатора для случая с ПР = 100%, то соотношения S_ИЗ и N₁ в этом случае получились несколько иными: 41,6 см² и 168 соответственно для того же тока 160 А.

На что нужно обратить внимание, анализируя полученные результаты? Прежде всего, в этом случае соотношения между S и N для определенного тока действительны только для сварочного трансформатора, изготовленного по схеме с увеличенным магнитным рассеиванием. Если бы мы применили значения S и N₁, полученные для этого типа трансформатора, для другого трансформатора - построенного по схеме силового трансформатора (рис. 1.23, а), то выходной ток при тех же значениях S, N₁, значительно возрос бы, предположительно в 1,4...1,5 раза или пришлось бы примерно во столько же раз увеличить количество витков первичной катушки N₁, для сохранения заданной величины тока. Сварочные трансформаторы, у которых секции вторичной катушки намотаны поверх первичной, получили большее распространение при самостоятельном изготовлении. Магнитный поток у них более сконцентрирован и энергия передается более рационально, хотя это и может приводить к некоторому ухудшению сварочных характеристик, о чем уже было сказано выше. Также надо учитывать, что сложно получить ток дуги выше 200 А при работе от бытовой однофазной сети.