Файл: Юрий Федорович ПодольскийСварочные работы. Электродуговая. Газовая. Холодная. Термитная. Контактная сварка.pdf

Ю. Ф. Подольский. «Сварочные работы. Электродуговая. Газовая. Холодная. Термитная. Контактная сварка»
111
Конструирование любительских
сварочных аппаратов
Купить электросварочный аппарат хоть импортного, хоть отечественного производства несложно. Но хорошие аппараты стоят дорого, а дешевые не всегда обеспечивают должное качество сварочных работ. Поэтому вполне понятен интерес к любительским конструкциям сварочных трансформаторов и выпрямителей.
Собранные самостоятельно сварочные агрегаты в основной своей массе обладают выраженной спецификой по сравнению со своими собратьями промышленного изготовле- ния. На первое место здесь зачастую ставят не тщательность расчета параметров конструк- ции и соблюдение технологии изготовления, а возможность достать тот или иной компонент будущей конструкции своего сварочного аппарата. Особенно актуальна экономия финан- совых средств и материалов. Делать трансформатор чаще всего приходится из того, что есть, а не из того, из чего следовало бы. Многие конструкции собирают из материалов,
ничего общего до того со сварочным делом, а то и с трансформаторами вообще не имевших.
При изготовлении самоделок параметры их компонентов подстраиваются под уже имею- щиеся в наличии материалы – в основном под магнитопровод. Параметры элементов неко- торых сварочных трансформаторов могут сильно выходить за рамки рекомендуемых стан- дартными методиками значений. А для некоторых схем, нашедших признание в кустарном производстве, никакие стандартные методики вообще не разработаны. К тому же индиви- дуально изготовленные сварочные аппараты (далее – СА), как правило, соответствуют кон- кретным нуждам того или иного изобретателя. Всё это обусловливает разнообразие кон- струкций любительских сварочных аппаратов. И хотя зачастую трансформаторы собирают не из самого лучшего трансформаторного железа, их мотают не самым подходящим прово- дом, они усиленно греются и вибрируют, главное – они работают. Их характеристики нахо- дятся на приемлемом рабочем уровне, а в случае необходимости могут быть подправлены.
Не претендуя на применение в высокотехнологичном производстве, такие СА вполне и с успехом можно использовать в бытовых целях, сэкономив своему владельцу немало времени и средств для проведения тех или иных хозяйственных работ.

Ю. Ф. Подольский. «Сварочные работы. Электродуговая. Газовая. Холодная. Термитная. Контактная сварка»
112
Проектирование сварочных аппаратов
Исходные данные
Любительские СА должны удовлетворять ряду требований, основные из которых сле- дующие: относительная компактность и небольшой вес; достаточная продолжительность непрерывной работы от сети 220 В (не менее 5–7 электродов ∅3–4 мм). Вес и габариты аппа- рата могут быть снижены благодаря уменьшению его мощности, а увеличение продолжи- тельности работы – благодаря использованию стали с высокой магнитной проницаемостью и теплостойкой изоляции обмоточных проводов. Эти требования несложно выполнить, зная основы конструирования сварочных аппаратов и придерживаясь предлагаемой технологии их изготовления.
Итак, для нормальной работы сварочного аппарата необходимо:
– обеспечить выходное напряжение для надежного зажигания дуги. Для любитель- ского СА U
xx
= 60–65 В. Более высокое выходное напряжение холостого хода обычно не рекомендуется, что связано в основном с обеспечением безопасности работы. Однако для придания устойчивости горения дуги на малых токах желательно иметь повышенное напря- жение холостого хода U
xx сварочной обмотки (до 70–75 В, как у промышленных СА);
– обеспечить напряжение сварки U
св
, необходимое для устойчивого горения дуги. В
зависимости от диаметра электрода U
св
= 18–24 В;
– обеспечить номинальный сварочный ток I
св
= (30–40)×d э
, где I
св
– величина свароч- ного тока, А; 30–40 – коэффициент, зависящий от типа и диаметра электрода (d э
), мм;
– ограничить ток короткого замыкания Iкз, величина которого не должна превышать номинальный сварочный ток более чем на 30–35 %.
Разумеется, устойчивое горение дуги возможно лишь в том случае, если сварочный аппарат будет обладать падающей внешней характеристикой (см. рис. 9).
Универсальный трансформаторный СА на токи от 15–20 до 180–200 А собрать доста- точно сложно. Для грубого (ступенчатого) перекрытия диапазона сварочных токов необ- ходима коммутация как первичных обмоток, так и вторичных (что конструктивно более сложно из-за большого протекающего в ней тока). Кроме того, в промышленных СА для плавного изменения тока сварки в пределах выбранного диапазона используют механиче- ские устройства перемещения обмоток. При удалении сварочной обмотки относительно сетевой увеличиваются магнитные потоки рассеивания, что приводит к снижению тока сварки. Поэтому, конструируя любительский СА, не следует стремиться к полному перекры- тию диапазона сварочных токов. Целесообразно на первом этапе собрать простой свароч- ный аппарат переменного тока для работы с электродами ∅2–4 мм, а на втором этапе допол- нить его выпрямительным устройством. В случае же необходимости работы на малых токах сварки аппарат оснащают отдельным выпрямителем с плавным регулированием сварочного тока.
Приступая к сборке трансформатора, разумным будет установить для себя предел выходного тока и мотать обмотки под выбранную мощность. При этом следует учитывать,
что не каждая электросеть может выдержать аппетиты мощных СА. С увеличением мощно- сти растет степень нагрева и износа трансформатора, необходимы более толстые и дорогие провода, увеличивается вес, да и никакой трансформатор от однофазной сети не способен развить ток выше 200 А. Золотой серединой здесь может быть мощность трансформатора,

Ю. Ф. Подольский. «Сварочные работы. Электродуговая. Газовая. Холодная. Термитная. Контактная сварка»
113
достаточная для работы наиболее популярным электродом ∅3 мм, для чего понадобится выходной ток 120–130 А.
Конструктивные особенности
сварочных трансформаторов
Основным элементом классического сварочного источника переменного тока является специализированный сварочный трансформатор (далее – СТ). По характеру устройства маг- нитного сердечника различают трансформаторы броневого (рис. 36, а) и стержневого типов
(рис. 36, б – в). Трансформаторы стержневого типа имеют более высокий КПД и допускают большие плотности токов в обмотках. Поэтому СТ чаще всего бывают именно стержневого типа.
По характеру устройства обмоток различают трансформаторы с цилиндрическими,
разнесенными и дисковыми обмотками.
В трансформаторах с цилиндрическими обмотками одна обмотка намотана поверх другой (рис. 37, а). Так как обмотки находятся на минимальном расстоянии друг от друга,
то практически весь магнитный поток первичной обмотки сцепляется с витками вторич- ной обмотки. Только очень небольшая его часть, называемая потоком рассеяния, протекает в зазоре между обмотками и не связана со вторичной обмоткой.
Такой трансформатор имеет жесткую характеристику, и ток короткого замыкания на вторичной обмотке более чем в 10 раз превосходит рабочий ток трансформатора. В этом случае для получения крутопадающей внешней характеристики дополнительно приходится использовать дроссель переменного тока.
Рис. 36. Магнитопроводы сварочных трансформаторов:
а – сердечник броневого типа (с обмоткой); б – сердечник стержневого типа; в – торо- идальный сердечник (a, b – размеры сердечника (керна); с, d – размеры окна); г – пластины
Г-образной формы; д – пластины П-образной формы; е – набор из полос трансформаторной стали

Ю. Ф. Подольский. «Сварочные работы. Электродуговая. Газовая. Холодная. Термитная. Контактная сварка»
114
В ранних сварочных источниках такой дроссель присутствовал как независимый кон- структивный элемент, дополнительно увеличивающий массу и габариты сварочного источ- ника. Позже в качестве дросселя стали использовать индуктивность рассеяния самого СТ.
Для получения требуемой величины индуктивности рассеяния обмотки трансформатора стали разносить на разные стержни или выполнять в виде дисков.
В трансформаторах с разнесенными обмотками (рис. 37, б) первичная и вторичная обмотки находятся на различных стержнях. Так как обмотки удалены друг от друга, то зна- чительная часть магнитного потока первичной обмотки не связана со вторичной обмоткой.
Еще говорят, что эти трансформаторы имеют развитое электромагнитное рассеяние. Индук- тивности рассеяния обмоток имеют значительную величину, и их реактивное сопротивление гораздо сильнее влияет на ток трансформатора, чем в случае трансформатора с цилиндриче- скими обмотками. Трансформатор с разнесенными обмотками имеет падающую внешнюю характеристику, где рабочий ток составляет около 80 % от тока короткого замыкания (КЗ).
В трансформаторах с дисковыми обмотками (рис. 37, в) первичная и вторичная обмотки тоже удалены друг от друга, но на меньшее расстояние, чем в предыдущем случае.
Поэтому по величине индуктивности рассеяния трансформаторы с дисковыми обмотками занимают промежуточное положение. Они также имеют падающую внешнюю характери- стику, но их рабочий ток составляет примерно 50 % от тока КЗ.
Для ступенчатой регулировки сварочного тока обмотки трансформатора можно делать с отводами и затем эти отводы переключать. Для плавной регулировки сварочного тока можно использовать регулируемый магнитный шунт, располагаемый в зазоре между обмот- ками, или, в случае трансформатора с дисковыми обмотками, изменять расстояния между обмотками, которые в этом случае выполняются подвижными.
В качестве магнитопровода самодельных СТ можно применить набор П– или Ш-образ- ных пластин из трансформаторной стали, тороиды, намотанные из трансформаторной сталь- ной ленты, статоры асинхронных двигателей и т. д. Оптимальными считаются характери- стики двухстержневых магнитопроводов, собранных из пластин трансформаторной стали в форме прямоугольного «окна». Расположение половин первичной и вторичной обмоток на двух стержнях магнитопровода способствует крутопадающей характеристике сварочного тока. К тому же они наиболее технологичны в исполнении.
П-образный сердечник набирают из пластин электротехнической стали толщиной 0,27
—0,55 мм, которые могут быть различной конфигурации (рис. 36, г – е). Пластины стяги- вают в пакет шпильками, которые должны быть изолированы от сердечника. При подборе сердечника необходимо учитывать площадь поперечного сечения сердечника (керна) (см
2
)
и размеры окна, чтобы поместились обмотки сварочного аппарата.
Широкое распространение получили также любительские сварочные аппараты на сер- дечниках тороидального типа (рис. 36, в). Такие магнитопроводы обладают более высокими электротехническими характеристиками, чем у стержневого (примерно в 4–5 раз выше), и меньшими электропотерями. Однако трудозатраты на их изготовление выше. Это связано в первую очередь с размещением обмоток на торе и сложностью самой намотки. Сердечники изготовляют из ленточного трансформаторного железа, свернутого в рулон в форме тора.
Примером может служить сердечник от мощного автотрансформатора ЛАТР.

Ю. Ф. Подольский. «Сварочные работы. Электродуговая. Газовая. Холодная. Термитная. Контактная сварка»
115
Рис. 37. Виды обмоток стержневых трансформаторов:
а – цилиндрические; б – разнесенные; в – дисковые
Заслуживают внимания и любительские СА, изготовленные на базе статоров асинхрон- ных трехфазных электродвигателей большой мощности (более 10 кВт). Выбор сердечника определяется площадью поперечного сечения статора S. Штампованные пластины статора не в полной мере соответствуют параметрам электротехнической трансформаторной стали,
поэтому уменьшать сечение S менее 40–45 см нецелесообразно.

Ю. Ф. Подольский. «Сварочные работы. Электродуговая. Газовая. Холодная. Термитная. Контактная сварка»
116
I = (20 + 6d э
)d э
,
или же по упрощенной зависимости:
I = K ∙ d э
(А),
где d э
– диаметр электрода; К – коэффициент, который может находиться в диапазоне
25–50 А/мм. Для большинства видов работ, в основном проводящихся в нижнем горизон- тальном положении, берется коэффициент 35–40 А/мм. Таким образом, для сварки электро- дами ∅2 мм выбирают ток порядка 70 А; «тройка» чаще всего работает на токе 110–120 А;
для «четверки» потребуется 140–150 А. Естественно, для сваривания особенно массивных изделий и для резки металла выбирают токи еще выше. Для сваривания тонкого металла и потолочных швов, напротив, ток необходимо уменьшать. Так как большинство СА не обла- дают средствами точного отображения сварочного тока, то сила тока обычно подбирается для конкретных работ опытным путем, так, чтобы сварочная дуга горела устойчиво, наплав- ление шло равномерно, но при этом не выделялось излишнее тепло.
Для выбора числа витков обмоток трансформатора рекомендуется пользоваться эмпи- рической зависимостью параметра Е (в вольтах на виток):
Е= 0,55 + 0,095Р
дл
Эта зависимость справедлива для широкого диапазона мощностей, однако наиболь- шую сходимость результатов дает в диапазоне 5—30 кВА. Также вводится параметр мощ- ности, учитывающий продолжительность работы трансформатора:
где I
2
– номинальный сварочный ток, A; U
2
– напряжение холостого хода вторичной обмотки; ПР – коэффициент продолжительности работы, %. Коэффициент продолжитель- ности работы показывает, сколько времени (в %) трансформатор работает в дуговом режиме
(нагревается), остальное время он находится в режиме холостого хода (остывает). Для само- дельных конструкций и переносных промышленных трансформаторов минимальный ПР
считают равным 15–20 %.
Следует отметить, что в любом случае выходная мощность СА остается неизменной,
рассчитанной на заданный ток I
2
. Ничто не мешает принять ПР равным, скажем, 60 %
или даже 100 %, а эксплуатировать трансформатор на меньшем значении, как на практике обычно и происходит. Однако наилучшее сочетание обмоточных данных и геометрии транс- форматора обеспечивает выбор значения низкого ПР.
Число витков (сумма обеих половин) первичной и вторичной обмоток определяют соответственно: