Obliczanie transformatora spawarki - krok po kroku

Pytanie

obliczanie transformatora spawarki

Odpowiedź Sztucznej Inteligencji

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie

• Aby poprawnie obliczyć transformator spawarki trzeba określić: moc wyjściową, przekładnię napięć, powierzchnię rdzenia, liczbę zwojów obu uzwojeń oraz przekroje przewodów.
• Postępujemy według sekwencji: (1) zdefiniowanie parametrów spawania, (2) wyznaczenie mocy, (3) dobór rdzenia, (4) obliczenie liczby zwojów na wolt, (5) określenie N₁ i N₂, (6) dobór przekrojów przewodów, (7) weryfikacja cieplna i zabezpieczeniowa.

Kluczowe punkty
• Spawarki 50 Hz: duży rdzeń EI/UU, indukcja 1,2-1,5 T, J ≈ 2-4 A/mm².
• Spawarki inwerterowe 20-100 kHz: rdzeń ferrytowy, indukcja 0,25-0,35 T, J ≈ 4-6 A/mm², mocna wentylacja.
• Konieczna regulacja prądu (odczepy, bocznik magnetyczny lub elektronika PWM).
• Obowiązuje norma EN 60974-1 (bezpieczeństwo oraz cykl pracy).

Szczegółowa analiza problemu

1. Parametry wejściowe

• Napięcie sieci \(U_1\) (230 V/50 Hz 1-faz lub 400 V/50 Hz 3-fazy).
• Napięcie jałowe \(U_{2_0}\) 55-75 V (MMA) – wymóg łatwego zajarzenia.
• Napięcie robocze \(U_2\) 20-35 V (zależnie od charakterystyki elektrody).
• Prąd spawania \(I_2\) (80-400 A).
• Cykl pracy ED (np. 35 % przy \(I_{2\,\text{max}}\)).
• Sprawność \(\eta\) (0,82–0,92 dla 50 Hz; 0,88–0,94 dla inwerterów).

2. Wyznaczenie mocy

\[
P_2 = U_2 \cdot I_2, \quad
P_1 = \frac{P_2}{\eta}
\]

Przykład 50 Hz: \(U_2=25 \text{V}, I_2=200 \text{A}\)
\(P_2=5 \text{kVA}, P_1\approx5,7 \text{kVA}\).

3. Dobór rdzenia

a) 50 Hz: empirycznie
\[
A_e[\text{cm}^2] \approx 1{,}0!-!1{,}2\;\sqrt{P_1[\text{VA}]}
\]
Dla 5,7 kVA → \(A_e≈80 \text{cm}^2\).

b) Inwerter 40 kHz: ferryt 3C90/PC40 – area product
\[
A_p = A_e \cdot W_a \ge \frac{P1}{4\,B{\text{max}}\,J\,f\,k_w}
\]
gdzie \(k_w\) – współczynnik wypełnienia okna (0,25-0,35). Wynik typowo 3C90 ETD59–ETD64 dla 6-8 kW (źródło [1]).

4. Liczba zwojów na wolt

50 Hz:
\[
n{1\text{V}} = \frac{1}{4{,}44\,f\,B{\text{max}}\,Ae}
\]
np. \(f=50 \text{Hz}, B=1{,}3 \text{T}, A_e=0,008 \text{m}^2\) → \(n\{1\text{V}}\approx0,43\).

Inwerter 40 kHz:
\[
N = \frac{Vs}{4\,B{\text{max}}\,A_e\,f}
\]
gdzie \(V_s\) – maks. napięcie na zwojach (półokres przebiegu prostokątnego).

5. Uzwojenia

Pierwotne:
\[
N1 = n{1\text{V}}\,(U1\,(1+\Delta U{\text{siec}}))
\]

Wtórne (napięcie jałowe):
\[
N2 = n{1\text{V}}\,U_{2_0}
\]

6. Prąd i przekrój przewodów

\[
S = \frac{I}{J}
\]
50 Hz: \(J_{1}=2{-}3 \text{A/mm}^2, J_{2}=3{-}4 \text{A/mm}^2\).
Inwerter: \(J=4{-}6 \text{A/mm}^2\) (krótki ED, wymuszone chłodzenie).
Uzwojenie wtórne – zwykle taśma Cu/Al, lico lub kilka równoległych przewodów.

7. Charakterystyka opadająca (constant current)

• Szczelina powietrzna lub bocznik w rdzeniu (spawarki tradycyjne).
• Dławik szeregowy lub sterowanie PWM (inwertery).

8. Regulacja prądu

1. Odczepy w \(N_1\) (+ prosty przełącznik).
2. Ruchomy pakiet blach (bocznik magnetyczny).
3. Sterowanie tyrystorowe (fazowe) – 50 Hz.
4. Zmiana wypełnienia PWM w inwerterach (IGBT).

Aktualne informacje i trendy

• Rynek wypiera ciężkie transformatory 50 Hz; >80 % nowych urządzeń to inwertery 20-100 kHz (mniejsze, wyższa sprawność, lepsza regulacja).
• Popularne rdzenie: ETD59-64, E65, U-I 93/152 z ferrytu NiZn (3C94, N87).
• Wzrost udziału topologii LLC i rezonansowych Full-Bridge >100 kHz dla spawarek TIG/MIG wysokiej jakości.
• Normy: EN 60974-1:2021 (zwiększone wymagania EMC), IEC 60529 (IP), dyrektywa 2014/35/UE (LVD).

Wspierające wyjaśnienia i detale

• Przy dużych prądach działa zjawisko naskórkowości – taśma lub lico ogranicza straty AC.
• Przewody wtórne często oplata się włóknem szklanym i nasącza lakierem, by zminimalizować wibracje akustyczne.
• W spawarkach inwerterowych stosuje się podział wyjścia: transformator HF + dławik wygładzający ≈100 µH formujący charakterystykę CC.

Aspekty etyczne i prawne

• Samodzielne budowanie spawarek wymaga zgodności z EN 60974-1 (bezpieczne napięcia, cykl pracy, EMC).
• Obowiązek oznaczenia CE w UE.
• Bezpieczne napięcie dotykowe ≤120 V DC (60 V AC) poza czasem trwania łuku – priorytet dla ochrony użytkownika.

Praktyczne wskazówki

• Zawsze licz nadmiar 10-15 % w przekroju rdzenia – obniża temperaturę i buczenie.
• Zaprojektuj okno rdzenia z marginesem min. 30 % objętości na izolację i kanały powietrzne.
• Test prototypu: pomiar temperatury uzwojeń (termopara) po 10 min pracy z ED=60 %; >150 °C (klasa H) ‑ konieczna korekta.
• Stosuj wyłącznik termiczny 135 °C + czujnik NTC na uzwojeniu wtórnym.

Ewentualne zastrzeżenia lub uwagi dodatkowe

• Wzory empiryczne różnią się w literaturze; dla mocy >10 kVA należy przeprowadzić symulację FEA (Maxwell, Flux) ze względu na rozproszenia.
• W inwerterach należy uwzględnić pełny przebieg napięć prostokątnych (dv/dt > 5 kV/µs) – izolacja taśmy poliimidowej.
• Aluminiowe uzwojenie wtórne tańsze, ale wymaga 1,6× większego przekroju.

Sugestie dalszych badań

• Analiza strat cieplnych metodą Steinmetza dla ferrytów w przedziale 20-100 kHz.
• Optymalizacja bocznika magnetycznego pod dynamiczną zmianę prądu (regulacja servo).
• Badania wpływu nieliniowej charakterystyki dławika wyjściowego na stabilność łuku.
• Dokumenty: EN 60974-1, IEC 60076-12 (dry-type), raporty Ferroxcube „High-power Welding Inverters”.

Krótkie podsumowanie

Obliczenie transformatora spawarki zaczynamy od dokładnej definicji napięć i prądu spawania. Następnie określamy wymaganą moc, dobieramy odpowiedni rdzeń (EI dla 50 Hz lub ferryt dla inwertera) i obliczamy liczbę zwojów na wolt, co pozwala wyznaczyć ilość zwojów pierwotnych i wtórnych. Ostatni etap to dobór przekrojów przewodów z uwzględnieniem gęstości prądu, chłodzenia i cyklu pracy. Trend rynkowy zdecydowanie przechodzi na lżejsze, wysokoczęstotliwościowe rozwiązania ferrytowe, które oferują wyższą sprawność i precyzyjną regulację prądu. Przy projektowaniu należy bezwzględnie uwzględnić wymagania norm EN 60974-1 oraz przepisy bezpieczeństwa.