Сварочный трансформатор

Сварочный трансформатор — это электрический аппарат, предназначенный для преобразования напряжения электрической сети в напряжение, необходимое для выполнения электродуговой сварки. Относится к классу силовых трансформаторов специального назначения. Основными функциями сварочного трансформатора являются понижение напряжения сети (обычно 220 В или 380 В) до безопасного для сварки напряжения холостого хода (60–80 В) и обеспечение требуемого сварочного тока (от десятков до сотен ампер) с падающей внешней характеристикой.

История

Первые попытки использования электрической дуги для соединения металлов предпринимались ещё в XIX веке. В 1881 году русский изобретатель Николай Николаевич Бенардос разработал способ дуговой сварки угольным электродом, однако для питания дуги применялись громоздкие аккумуляторные батареи. В 1888 году другой русский инженер, Николай Гаврилович Славянов, предложил метод сварки металлическим электродом и создал первый в мире сварочный генератор.

Развитие сварочных трансформаторов началось в начале XX века с появлением мощных электрических сетей переменного тока. Первые промышленные образцы сварочных трансформаторов были созданы в 1920-х годах в СССР и Германии. Они отличались низким КПД и значительными габаритами. В 1930-х годах советские инженеры разработали конструкцию трансформатора с подвижными обмотками, что позволило плавно регулировать сварочный ток. В послевоенные годы, с развитием электросварки как основного метода соединения металлов, сварочные трансформаторы стали массово выпускаться на заводах электротехнической промышленности.

Устройство и принцип действия

Сварочный трансформатор состоит из следующих основных узлов:

• Магнитопровод (сердечник) — замкнутая конструкция из листовой электротехнической стали, служащая для передачи магнитного потока.
• Первичная обмотка — катушка из медного или алюминиевого провода, подключаемая к сети переменного тока.
• Вторичная обмотка — катушка, с которой снимается напряжение для сварочной дуги. Вторичная обмотка часто выполняется в виде нескольких секций для ступенчатой регулировки тока.
• Регулирующее устройство — механизм для изменения расстояния между обмотками или подмагничивания магнитопровода, обеспечивающий плавную или ступенчатую регулировку сварочного тока.
• Система охлаждения — в большинстве моделей используется естественное воздушное охлаждение (радиаторы, вентиляционные отверстия); в мощных промышленных трансформаторах может применяться принудительное обдувание вентилятором.
• Корпус — защитный кожух из стали или алюминия.

Принцип действия основан на явлении электромагнитной индукции. При подаче переменного напряжения на первичную обмотку в магнитопроводе возникает переменный магнитный поток, который индуцирует ЭДС во вторичной обмотке. Напряжение на вторичной обмотке понижается пропорционально коэффициенту трансформации, а ток — возрастает. Для обеспечения стабильного горения дуги и ограничения тока короткого замыкания сварочный трансформатор имеет падающую внешнюю характеристику: при увеличении тока нагрузки напряжение резко падает.

Классификация

Сварочные трансформаторы классифицируются по нескольким признакам.

По конструкции регулировки тока

• Трансформаторы с подвижными обмотками — регулировка осуществляется изменением расстояния между первичной и вторичной обмотками. При увеличении зазора магнитный поток рассеяния возрастает, сварочный ток уменьшается.
• Трансформаторы с подвижным шунтом — в магнитопровод вводится подвижный шунт, который шунтирует часть магнитного потока, уменьшая ток.
• Трансформаторы с подмагничиванием — регулировка тока осуществляется изменением тока подмагничивания в дополнительной обмотке, что изменяет магнитную проницаемость сердечника.
• Трансформаторы с секционированием обмоток — ступенчатая регулировка переключением числа витков вторичной обмотки.

По числу фаз

• Однофазные — наиболее распространены в быту и мелком производстве, питаются от сети 220 В.
• Трёхфазные — используются в промышленности для мощных сварочных постов, питаются от сети 380 В.

По типу охлаждения

• С естественным воздушным охлаждением — компактные модели для ручной сварки.
• С принудительным воздушным охлаждением — оснащены вентиляторами, позволяют работать с большими токами в непрерывном режиме.
• С масляным охлаждением — применяются в мощных промышленных трансформаторах, где требуется эффективный отвод тепла.

По назначению

• Для ручной дуговой сварки (MMA) — наиболее массовый тип, обеспечивает сварку штучными электродами.
• Для полуавтоматической сварки (MIG/MAG) — могут комплектоваться дополнительными устройствами подачи проволоки.
• Для сварки под флюсом — используются в автоматических сварочных линиях.

Характеристики

Основные технические характеристики сварочного трансформатора:

• Номинальный сварочный ток — значение тока, при котором трансформатор может работать длительное время без перегрева (например, 200 А, 315 А, 500 А).
• Диапазон регулировки тока — минимальный и максимальный ток, который может выдавать аппарат (например, 40–250 А).
• Напряжение холостого хода — напряжение на вторичной обмотке при отсутствии нагрузки (обычно 50–80 В). Для безопасности в современных моделях оно не превышает 80 В.
• Напряжение дуги — рабочее напряжение при сварке, обычно 20–40 В.
• Потребляемая мощность — активная мощность, потребляемая из сети (например, 5–15 кВт).
• Коэффициент мощности (cos φ) — для сварочных трансформаторов обычно составляет 0,5–0,7.
• КПД — коэффициент полезного действия, обычно 70–85%.
• Продолжительность включения (ПВ) — отношение времени работы к общему времени цикла (например, 60% при 10-минутном цикле означает 6 минут работы и 4 минуты паузы).

Применение

Сварочные трансформаторы широко применяются в различных отраслях промышленности и строительства:

• Строительство — сварка арматурных каркасов, металлоконструкций, трубопроводов.
• Машиностроение — изготовление корпусов, рам, кузовов автомобилей, сельхозтехники.
• Судостроение — сварка корпусов судов, палубных конструкций.
• Нефтегазовая промышленность — сварка трубопроводов, резервуаров.
• Ремонтные мастерские — ремонт кузовов автомобилей, изготовление металлических изделий.
• Бытовое использование — мелкие сварочные работы в частных хозяйствах.

Достоинства и недостатки

Достоинства

• Простота конструкции — надёжность и долговечность, отсутствие сложной электроники.
• Низкая стоимость — по сравнению с инверторными источниками сварочного тока.
• Высокая надёжность — устойчивость к перегрузкам и скачкам напряжения.
• Нечувствительность к качеству питающей сети — могут работать при значительных отклонениях напряжения.
• Возможность ремонта — большинство неисправностей устраняется заменой обмоток или контактов.

Недостатки

• Большие габариты и масса — вес типичного трансформатора на 200 А составляет 30–50 кг, промышленные модели могут весить сотни килограммов.
• Низкий КПД — значительная часть энергии теряется в виде тепла.
• Низкий коэффициент мощности — требуется компенсация реактивной мощности.
• Сложность регулировки тока — плавная регулировка механическая, менее удобна, чем электронная в инверторах.
• Нестабильность дуги — при колебаниях напряжения сети дуга может гаснуть.
• Ограниченная свариваемость — не подходят для сварки тонколистового металла и алюминиевых сплавов.

Сравнение с инверторными источниками

В конце XX — начале XXI века сварочные трансформаторы начали активно вытесняться инверторными источниками сварочного тока. Инверторы имеют меньший вес (5–15 кг), более высокий КПД (85–90%), плавную регулировку тока и стабильную дугу. Однако трансформаторы остаются востребованными в промышленности благодаря своей надёжности, низкой стоимости и устойчивости к тяжёлым условиям эксплуатации (пыль, влага, вибрация). В России и странах СНГ сварочные трансформаторы до сих пор широко применяются на крупных стройках, в ремонтных бригадах и на предприятиях, где не требуется мобильность.

Интересные факты

• Самый мощный сварочный трансформатор в мире, выпускавшийся серийно, имел номинальный ток 2000 А и использовался для сварки труб большого диаметра.
• В СССР выпускались сварочные трансформаторы серии ТД (трансформатор дуговой) — например, ТД-300, ТД-500, которые до сих пор эксплуатируются на многих предприятиях.
• Сварочные трансформаторы могут работать не только на переменном, но и на постоянном токе при подключении к ним выпрямителя (сварочный выпрямитель).
• Конструкция магнитопровода сварочного трансформатора часто выполняется стержневой или броневой, что обеспечивает высокую механическую прочность.

Источники

• ГОСТ Р МЭК 60974-1-2012 «Оборудование для дуговой сварки. Часть 1. Источники сварочного тока».
• Китаев В. Е., Шитов В. Н. «Сварочные трансформаторы». — М.: Энергия, 1978.
• Баранов В. Н. «Электрооборудование сварочных установок». — М.: Высшая школа, 1985.
• Справочник сварщика / Под ред. В. В. Степанова. — М.: Машиностроение, 2004.
• Техническая документация производителей (ООО «Электромаш», ООО «Сварка-Сервис»).