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無線電子工学および電気工学の百科事典 溶接変圧器：計算と製造
電気アーク溶接は、産業および日常生活において金属部品を永久的に接続する最も一般的な方法です。 120 年前に登場し、その高い製造性により、すぐにほぼどこでも他の溶接方法に取って代わりました。 今日、電気アーク溶接機は、家庭の作業場や所有者の夢の設備に不可欠な部分です。 この記事では、溶接変圧器の計算方法と製造方法について説明し、そのような装置全体を適切に設計および製造するために必要な情報を提供します。 電気アークは 1802 年にサンクトペテルブルク医療外科アカデミーの物理学教授、ヴァシリー ウラジミロヴィチ ペトロフによって発見されました。 V. V. ペトロフは 1803 年にこの現象を説明し、照明と金属の溶解の両方に実用化できる可能性を指摘しました。 しかし、わずか 80 年後の 1882 年、ロシアの才能ある発明家ニコライ・ニコラエヴィッチ・ベナルドスは、金属の電気アーク溶接に工業的に適した方法の開発に成功しました。 Benardos 法 (図 1) によれば、カーボンまたはタングステン電極 4 と接合される部品 3 の間で燃焼する電気アーク 1 で溶加材ロッド 2 を溶かすことによって溶接シーム 5 が形成されます。
少し後の 1888 年に、ニコライ・ガブリロヴィチ・スラビャノフは別の溶接方法を開発しました (図 2)。 この場合、電気アークは、接続部分５と電極との間で、継ぎ目４が形成されているコア２の溶融金属から燃焼し、保護コーティング（コーティング）の材料の燃焼および蒸発中に放出されるガスが発生する。 5 つの電極が溶融物を酸化から保護し、アークをより安定させます。 コーティングされた溶接電極の最初の設計は、N.N. Benardos によって作成されました。 モダンな外観は、2 年にスウェーデンの技術者ケルベルグによって与えられました。
その単純さと製造の容易さのため、MMA と略されることもあるこの手動溶接方法が最も普及しています。 溶接は直流と交流の両方で行われ、最初の場合は XNUMX つのオプションが可能です。溶接電流源のプラスを製品に接続する (直接極性) か、溶接電極に接続する (逆極性)。 溶接電極が設計された極性は、パスポートデータに示されなければなりません。 ほとんどの場合、その逆が使用されます。 サブマージアーク溶接のアイデアもN. G. Slavyanovに属します。 しかし、アメリカの会社「リンデ」が、溶接中に溶ける粉末状の物質の層の下で鋼を溶接する方法の特許を取得したのは1936年のことだった。ソ連でも同様の技術が開発され、1938年から1940年にかけて生産に導入された。 ウクライナSSR科学アカデミー電気溶接研究所（現在はエフゲニー・オスカロヴィッチ・パトンにちなんで命名）。 大祖国戦争中に装甲車両の大量生産を確立することを可能にしたのはこの方法でした。 第二次世界大戦中の米国では、非消耗タングステン (TIG) 電極と消耗型 (MIG) 電極を使用した、アルゴンまたはヘリウムのジェット内での金属の自動溶接が開発されました。 後者のオプションを図に示します。 3. アーク 6 は溶接部品 1 とワイヤ 2 の間で燃え、ワイヤ 3 が溶けると、ガイド 4 に沿ってロール 5 の助けを借りて溶接場所に供給されます。 不活性ガスはノズル 7 を通って入ります。溶接領域を包み込み、溶融溶接金属７を酸化から保護する。
1952 年、K. V. Lyubavsky と N. M. Novozhilov は、特殊な組成の合金電極ワイヤを発明しました。これを使用すると、二酸化炭素環境下で消耗電極を使用して溶接することが可能になります。 今日の自動車サービスに広く応用されているのは、この方法 (略語 MAG が割り当てられています) です。 電気アーク溶接の方法をある程度理解したら、電気アークの特性、つまりイオン化ガス環境で通電された電極間の強力な長期放電の特性について理解しましょう。 その発生のプロセスは、XNUMXつの電極、つまりアノードとカソードの接近と接触から始まります。この場合、そのうちのXNUMXつは溶接されるワークピースです。 次に、電極が離れると、電気回路が開いた瞬間に電極間で火花が飛び、電極間の空間内のガスがイオン化します。 ガスギャップの電気的破壊に十分高い電圧が電極に短時間印加されると、一次短絡がなくてもガスをイオン化することが可能です。 初期のイオン化によって形成された「伝導チャネル」では、電子は電場の作用下でカソードからアノードに移動し、かなりの速度が発生します。 中性ガス原子と衝突すると、中性ガス原子から新しい電子がノックアウトされ、それによってイオン化が促進されます。 これには大量の熱の放出が伴います。 その結果、アーク柱内の物質は 5000 ～ 7000°C に加熱され、プラズマ状態になります。 アノードに到達した電子は、アノードにエネルギーを与えます。 ここで、強く加熱された「陽極スポット」が形成されます。 正のプラズマイオンは陰極に向かって移動し、陰極にエネルギーを与え、いわゆる「陰極スポット」を形成します。 通常、電流の電子成分がアーク内で優勢となり、その結果、カソードよりもアノードでより多くの熱が発生します。 アノードがエネルギーの43％、カソードがエネルギーの36％を占め、残りはアーク柱で消散すると考えられています。 アークの存在に必要な条件は、イオン衝撃によって陰極の高温が維持されることです。これにより、電子の放出が発生し、アーク柱内のガスがイオン化されます。 図上。 図４（曲線１）は、直径３ｍｍ（断面約７ｍｍ２）の溶接電極の電気アーク［１］の典型的な静電流−電圧特性を示す。
特性上、下降（電極内の電流密度が12 A / mm2未満）、水平および上昇（電流密度 - 80 A / mm2以上）セクションが区別されます。 直流で溶接する場合、この曲線と電源の負荷特性（曲線2）の交点が水平断面内にある必要があります。 アークにかかる電圧 UD は主に媒体のガス組成に依存し、溶接電流 ICB にはほとんど依存しません。 実用に十分な精度を持っており、経験式により算出されます。 Ud \u0,05d Ur + 18 Isv、ここで、Ur \u14d 空気の場合は11 V、二酸化炭素の場合はXNUMX V、後者とアルゴンの混合物の場合はXNUMX Vです。 アークが低周波 (工業用) 交流回路に含まれる場合、動作点は特性の下向きおよび水平部分に沿って連続的に移動します。 電流は各半サイクルの終わりに停止するため、アークは消滅します。 しかし、次の半サイクルでは、冷却する時間がなかった金属部分からの電子の熱放出と、しばらく続くガスギャップの残留イオン化により、電圧が低下するとすぐにアークが再び発生します。電極間の電圧は点火電圧と呼ばれる値に達します。 交流アークを安定して燃焼させるには、何らかの対策が必要です。 たとえば、コーティングの組成にイオン化ポテンシャルの低い物質が追加された特別な電極が使用されます。 溶接電源の開放電圧が増加すると、アークの安定性が向上します (負荷をオフにして測定します)。 ただし、このパラメータはサービス担当者の安全要件によって制限されており、GOST 95-77E に従って 80 V を超えてはなりません。 電源の比較的低い開回路電圧で安定したアークを得る一般に受け入れられている方法は、誘導リアクタンスを溶接回路と直列に接続することです。 その結果、電流と電圧の間の位相シフトが生じます。 アークが消える電流のゼロ瞬間値は、アークを再点火する最大電圧に対応します。 この場合、開放電圧が 60 ～ 65 V の電源で十分であり、さらにインダクタンスを変更することで溶接電流を調整できます。 電気アークによって溶けた電極の金属は、アークの根元（通常、この場所はクレーターと呼ばれます）の溶接されるワークピースの表面に形成される液体金属のプールに滴状[2]に入ります。 このプロセスは、電極の端に溶融金属の層を形成することから始まります。 金属が蓄積すると、液滴が集まり、最終的にはアークギャップを埋めます。 このとき、溶接回路の短絡が発生し、電流が急激に増加します。 結果として生じる電磁力によって液滴が破壊され、液滴と電極の端の間に新しいアークが発生します。 液滴は加速してクレーターに落下し、金属の一部が飛沫の形で溶接ゾーンから放出されます。 ハンマーとノミでしか取り除くことができない、継ぎ目の周りに過度に多くの凍結した金属の滴が現れる理由は、多くの場合、溶接電源の負荷特性の形にあります（その出力電圧の依存性）。負荷電流）。 手溶接では、短絡電流 |kz が定格溶接電流 Icv の 3 倍以下となるような特性が必要です [XNUMX]。 手動とは異なり、シールドガス環境での半自動溶接は、アークの静電流-電圧特性の上昇部分の始まりに対応するより高い電流密度で実行されます。 溶接プロセスの自己調整のために、ここでは剛性の負荷特性が必要です (図 3 の曲線 4)。 非専門的な手動電気溶接では、主に交流電源が使用されます。 これは後者の単純さと安価によるものですが、溶接の品質は直流で達成できるものより劣ります。 10 ～ 15 年前でさえ、業界では電気アーク溶接用の家庭用機器は実質的に製造されていませんでした。 現在では状況が変わり、家庭用のパラメータの点で非常に適したデバイスが市場に数多く出回っています。 しかし、その価格はまだ多くの人にとって手の届かないものです。 したがって、アマチュアのデザイナーは、以前と同様に、この技術の奇跡を自分たちの手で作ろうとしています。 彼らの多くは、手動溶接の実践的なスキルを持っていますが、溶接電源の要件についてはまったく知りません。 その結果、即席の材料から「目視で」作られた装置は、要求される溶接品質を提供できず、操作が安全ではありません。 AC溶接電源の主要アセンブリは、通常、特別な単相溶接変圧器です。 これにより、主電源電圧が溶接に必要な値まで低下し、同時に溶接回路が主電源から絶縁されます。 計算に使用した変圧器 [4] の等価回路を図に示します。 5.
変圧比 n は、巻線 w1/w2 の巻数の比です (以下、添字 1 と 2 はそれぞれ一次巻線と二次巻線を指します)。 U1、U2 - 巻線の電圧。 r1、r2 - アクティブな抵抗。 Rm - 磁気回路の損失抵抗。 Lm は、巻線に共通の磁束に関連する磁化インダクタンスです。 L1s、L2s - 各巻線の磁束の一部が他の巻線と相互作用することなく空間に散逸するという事実から生じる漏れインダクタンス。 等価回路を使用すると、開放電圧や短絡電流などの重要な量に対する変圧器の特定のパラメータの影響を評価することができます。 磁気回路の構成に応じて、中心コアに巻線が配置された装甲トランス（図6、a）と、6つまたは0,35つのコアに巻線が配置されたロッドトランス（図0,5、b）が区別されます。 ロッド型変圧器は、効率の向上と巻線の冷却状態の改善が特徴です。 後者は電流密度を高く設定することで巻線の消耗を抑えることが可能です。 したがって、溶接トランスは、ごくまれな例外を除いて棒型となります。 磁気回路は通常、厚さ XNUMX ～ XNUMX mm の電気 (変圧器) 鋼板から作られます。
変圧器の巻線は円筒形と円盤形です。 円筒状（図 7、a）は重ねて巻かれます。 それらの間の距離は最小限であり、一次巻線の磁束のほぼ全体が二次巻線と相互作用します。 したがって、漏れインダクタンス L1s と L2s は小さく、短絡電流は巻線のアクティブ抵抗によってのみ制限され、動作電流よりも何倍も大きくなります。 前述したように、このような負荷特性を持つ変圧器は手溶接には適していません。 バラスト抵抗器 (レオスタット) またはチョークを追加する必要があります。
これらの要素は溶接源の寸法と重量を大幅に増加させ、そこでの避けられないエネルギー損失により効率が低下します。 ディスク巻線を備えた変圧器 (図 7、b) では、一次巻線の磁束のかなりの部分が二次巻線をバイパスします。 その結果、溶接回路内で直列に接続された漏れインダクタンスL1s、L2sが従来よりも大きくなり、そのリアクタンスが二次巻線の短絡電流に大きな影響を与えます。 すでに述べたように、溶接回路内のインダクタンスの存在も安定したアーク燃焼に有利です。 したがって、円盤巻変圧器は手動交流溶接に最適です。 場合によっては、巻線が可動式になっており、巻線間の距離を変えることで漏れインダクタンスを調整し、それに伴って溶接電流も調整します。 溶接変圧器の特徴は、その負荷が一定ではないことです。 通常、実際の溶接と休止からなるサイクル内で負荷がかかっている作業時間の割合は 60% を超えないと考えられます。 家庭用溶接変圧器の場合、さらに小さい値である20％が採用されることが多く、これにより、熱状況を大幅に悪化させることなく、変圧器巻線の電流密度を増加させ、磁気の窓領域を減らすことができます。巻線を収容するために必要な回路。 最大 150 A の溶接電流では、銅巻線の電流密度は 8 A/mm2、アルミニウムでは 5 A/mm2 と考えられます [5]。 所定の電力に対して、磁気回路内の誘導が選択した材料の最大許容値に達すると、変圧器の寸法と重量は最小になります。 しかし、アマチュアの設計者は、未知のブランドの電磁鋼板を扱うため、通常、この値を知りません。 予期せぬ事態を避けるため、誘導は通常過小評価され、変圧器のサイズが不当に増大することにつながります。 以下の手順を使用すると、入手可能な変圧器鋼の磁気特性を決定できます。 断面 5 ～ 10 cm2 の「実験用」磁気回路は、この鋼材 (図 8 の寸法 a と b の積) と、断面が 50 ～ 100 回巻かれた軟質絶縁ワイヤから組み立てられます。 1,5 ... 2,5 個が 2 mm2 のコアの 2 つに巻かれています。 さらに計算するには、式 lav \u3,14d XNUMXh + XNUMXc + XNUMXa を使用して磁力線の平均長さを見つけ、巻線のアクティブ抵抗を測定する必要があります。
さらに、図9に示すスキームによれば、 1、テストセットアップを組み立てます。 T1 - 研究室用調整可能単巻変圧器 (LATR)。 L2 - 「実験用」磁気回路の巻線。 降圧トランス T63 の全体電力は少なくとも 8 V-A、変圧比は 10 ... XNUMX です。
電圧を徐々に増加させて、図に示すものと同様に、磁気回路内の誘導V、Tl、磁界の強さH、A / mへの依存性を構築します。 10、次の式に従ってこれらの量を計算します。
ここで、U と I は電圧計 PV1、V と電流計 PA1、A の測定値です。 F - 周波数、Hz; S - 「実験用」磁気コアの断面積、cm2; w はその巻線の巻数です。 得られたグラフから、図に示すように、飽和誘導Ｂｓ、最大誘導Ｂｍ、交番磁界の最大強度Ｈｍを求める。 たとえば、開放電圧 Uxx = 220 V、最大溶接電流 Imax = 50 A として、65 V、150 Hz の AC ネットワークで動作するように設計された溶接変圧器を計算してみましょう。 変圧器の全体的な電力Pgab=Uxx Imax = 65 150 =9750VA。 よく知られている公式に従って、磁気回路SMの断面積とその窓の面積の積を決定します。つまり、次のようになります。
ここで、J は巻線の電流密度、A/mm2 です。 ks=0,95 - スチールによる磁気回路セクションの充填率。 Ko=0,33...0,4 - 銅 (アルミニウム) によるウィンドウの充填率。 Bm=1.42 T、一次巻線は銅線、二次巻線はアルミニウムで巻かれていると仮定します（電流密度 J=6.5A/mm2 の平均値を取得します）。 SMSo=9750/(1,11·1,42·6,5·0,37·0,95)= = 2707 см4. ロッドトランスの場合、次のサイズ比が推奨されます [6] (図 8 を参照)。 c/a=2; h/a=1,6...2,5。 h/a=5 を選択して、サイズ a, cm を計算します。
a=40 mm と仮定すると、磁気回路の残りの寸法は b=2a=80mm となります。 c=1,6a=32mm; h=4a=160mm。 そのような磁気回路上のトランス巻線の2,22ターンのEMF Ev \u10d XNUMX-XNUMX-4Bmabkc=2,22 10-41,42 3200 0,95 = 0,958 V。二次巻線の巻数 w2=Uxx/Ev=65/0,958=68。 二次巻線の断面積 S2=Imax/J=150/5=30 mm2 (二次巻線がアルミニウムであるため、J=5 A/mm2)。 一次巻線の巻数 w1=U1/EB=220/0,958=230。 一次巻線の最大電流 I1max=lmax・w2/w1=150-68/230=44,35A 一次巻線の銅線断面積 S1=l1M/J=44,35/8=5,54mm2 ロッド型トランスの一次巻線と二次巻線は通常、115 つの同一の部分に分割され、磁気回路の 2,65 つのコアに配置されます。 一次巻線の各直列接続部分は、少なくとも 230 mm の直径を持つ 1,88 巻のワイヤです。 一次コイルの各部分が並列に接続されている場合、各部分には断面の半分、直径が少なくとも XNUMX mm のワイヤが XNUMX 巻含まれている必要があります。 同様に、二次巻線の XNUMX つの部分に分かれています。 巻線が円筒状に作られている場合、変圧器の降下負荷特性を得るために、0,2 ... 0,4 オームの抵抗を持つ抵抗器を直径 3 以上のニクロム線で二次側に直列に接続する必要があります。んん。 ディスク巻線を備えた変圧器の場合、この抵抗は必要ありません。 残念ながら、このような変圧器の漏れインダクタンスを正確に計算することは、近くの金属物の位置にも依存するため、実際には不可能です。 実際には、製造サンプルの試験結果に応じて変圧器の巻線や構造データを調整し、逐次近似法により計算を行います。 詳細なテクニックは [7] にあります。 素人の状況では、（電流を調整するための）可動巻線を備えた変圧器を製造することは困難です。 いくつかの固定電流値を取得するには、タップを使用して二次巻線を作成します。 より正確な調整（電流を減少させる方向）は、回路に一種のインダクタンスコイルを追加することによって実行されます-溶接ケーブルをベイに敷設します。 計算された変圧器の製造を進める前に、必要な技術的ギャップ、フレームを構成する材料の厚さなどを考慮して、その巻線が磁気回路の窓に配置されることを確認することをお勧めします。要因。 寸法 c および h (図 8 を参照) は、巻線の各層が選択したワイヤの整数の巻数に適合し、層の数も整数またはそれよりわずかに少ないように「調整」する必要があります。最も近い整数。 層間および巻線間絶縁のためのスペースを設ける必要があります。 最も成功したバリアントが最初の試行で常に得られるとは限りません。多くの場合、磁気回路ウィンドウの幅と高さを繰り返し大幅に調整する必要があります。 円筒形の巻線を設計する場合、そのセクションのサイズを最適に選択する必要があります。 通常、太いワイヤで巻かれた二次巻線には一次巻線よりも多くのスペースが与えられます。 溶接電流の120つの値（150および11 A）に対する変圧器の設計のスケッチを図に示します。 12とその回路を図に示します。 XNUMX.
電流が小さいほど、二次巻線の巻数が多くなります。 それは間違いではありません。 巻線電圧は巻数に比例し、漏れインダクタンスはその数の二乗に比例して増加することが知られています。 その結果、電流が減少します。 巻線は、厚さ 2 mm のガラス繊維シートで作られた 1,5 つのフレーム上に配置されます。 各フレームの一次巻線と二次巻線のセクションは、同じ材料の絶縁チークによって分離されています。 磁気回路用のフレームの穴は、後者の断面よりも 2 ～ XNUMX mm 幅が広く、長くなっています。 これにより、組み立ての問題が解消されます。 フレームの変形を防ぐため、巻き取り中は木製のマンドレルにしっかりと固定されます。 一次巻線は、異なるフレーム上に配置され、並列に接続された 230 つのセクション (I' および I ") で構成されます。各セクションは、直径 2 mm の PEV-1,9 ワイヤを 2,7 回巻いたものです。直径 115 mm、セクションごとに 0,5 回巻くことができますが、直列に接続する必要があります。次のワイヤを巻く前に、ワイヤの各層を木ハンマーで軽く叩いて圧縮し、含浸ワニスを塗る必要があります。プレスボード（電気ダンボール）1～XNUMXmm厚で層間絶縁に適しています。 二次巻線には、著者は断面積 30 mm2 (5x6 mm) のアルミニウム バスを使用しました。 断面積がほぼ同じでサイズが異なるバスバーがある場合は、巻線に合わせてカーカス セクションの幅をわずかに変更する必要があります。 巻く前に、裸のバスバーを、あらかじめ幅 20 mm のストリップに切り取ったキーパー テープまたは薄い綿布でしっかりと巻き付ける必要があります。 断熱材の厚さ - 0,7 mm以下 セクション II' と II" にはそれぞれ 34 ターンがあり、セクション III' と III" にはそれぞれ 8 ターンがあります。 バスは、広い側を磁気コアに向けてフレーム上に XNUMX 層で配置されます。 各層は木製ハンマーの軽い打撃で圧縮され、含浸ワニスがたっぷりと塗り付けられます。 製造されたコイルは乾燥する必要があります。 乾燥の温度と時間は、含浸ワニスのブランドによって異なります。 変圧器の磁気コアは、厚さ 0,35 mm の冷間圧延変圧器鋼板から組み立てられます。 ほぼ黒色の熱延鋼板とは異なり、冷延鋼板の表面は白色です。 変電所に設置されている故障した変圧器の磁気回路から取り出した鋼板を使用できます。 上述の方法に従って鋼を試験することが望ましい。 経験的に得られた最大誘導 Bm の値が計算で採用された値 (1,42 T) と大きく異なる場合、後者を繰り返し、その結果を変圧器の製造時に考慮する必要があります。 鋼板を圧延方向に切断して幅 40 mm のストリップにし、これを長さ 108 mm および 186 mm の板に切断します。 バリはやすりや細かい切り込みのあるヤスリで取り除きます。 磁気コアは、プレートの接合部の隙間を最小限に抑えた「vpe-cover」内に組み立てられています。 完成した変圧器は、アルミニウムなどの非磁性材料で作られた保護ケースに入れられます。 ケーシングには通気孔を設ける必要があります。 変圧器は、断面積が少なくとも 220 mm6 の銅製電力導体とアース線を備えたケーブルで 2 V ネットワークに接続され、アース線は変圧器の磁気回路とその保護ケースに接続されています。 主電源ソケットは 63 ピン (XNUMX 番目のピンは接地されている) で、定格電流が少なくとも XNUMX A である必要があります。 二次巻線の終端は、変圧器の保護ケースに取り付けられた耐熱誘電体パネルに取り付けられた直径 8 ～ 10 mm のネジ付き真鍮スタッドにしっかりと接続されています。 断面積 16 ～ 25 mm2 の軟銅線は溶接ワイヤとして適しています。 溶接電極 (既製のものがない場合) は、たとえば [8] の推奨事項を使用して、独立して作成できます。 軟鋼から作られた直径 2 ～ 6 mm のワイヤは、長さ 300 ～ 400 mm の直線セグメントに分割されます。 コーティングは、500 g のチョークと 190 g の液体ガラスをコップ 100 杯の水で希釈して作成されます。 この量は 200 ～ XNUMX 個の電極に十分です。 準備されたワイヤー片は、ほぼ全長にわたってコーティングに浸され、長さ約20 mmの端だけが覆われずに残され、取り除かれ、20〜30℃の温度で乾燥されます。 このような電極は、交流と直流の両方での溶接に適しています。 もちろん、それらは工業的な方法で生産されたものの一時的な代替品としてのみ機能します。 責任ある仕事には使用しないでください。 文学
著者: V.Volodin、オデッサ、ウクライナ
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