Все |0-9 |А |Б |В |Г |Д |Е |Ж |З |И |К |Л |М |Н |О |П |Р |С |Т |У |Ф |Х |Ц |Ч |Ш |Щ |Э |Ю |Я

Каталог статей Советы мастерам Электромеханикам

Поиск по тегам : техническое обслуживание электродвигателей, оценка технического состояния электродвигателей, проверка состояния щеточного механизма электродвигателей с фазным ротором, проверка работы электродвигателя, проверка посадки шкива, полумуфты или звездочки на валу


Сварочный аппарат своими руками

Рейтинг 2.6/5 (134 голосов)

 

 

Глава 1. Что нужно знать, взявшись за изготовление

сварочного аппарата. Начальные сведения

 

 

Состав электросварочной системы.

 

Для питания сварочной дуги необходим мощный источник, пре­образующий сетевое напряжение и обеспечивающий необходимую величину и качество сварочного тока. Под источником питания дуги в общем случае подразумевается совокупность средств, куда могут входить кроме сварочного трансформатора еще и регулирующие, улучшающие характеристику дуги, выпрямляющие ток, и другие устройства (рис. 1.1). В простейшем случае, наиболее распростра­ненном среди самодельных конструкций, источником питания сва­рочной дуги является только один трансформатор, без каких-либо дополнительных элементов. Заключенный в корпус источник пита­ния, оборудованный всем необходимым: соединительными провода­ми и клеммами, выключателями и внешними движками регуляторов, с установленными рукоятками для переноски, а для большего удобст­ва и колесиками, представляет из себя уже полностью завершенную конструкцию - известный всем сварочный аппарат.

 

 

Рис. 1.1

Подобное устройство достаточно высокого качества вполне воз­можно изготовить в условиях небольшой мастерской или даже в до­машних условиях. Для его изготовления достаточно знать проверен­ные на практике методики, уметь правильно выбрать материал, да еще вложить в это дело какую-то часть своего труда, души, мастерст­ва и терпения. Однако, взявшись за изготовление сварочного аппара­та, вы будете чувствовать себя гораздо увереннее, если с самого на­чала будут выяснены некоторые базовые теоретические вопросы, ка­сающиеся процессов горения электрической дуги и плавления электрода, характеристик трансформаторов, магнитопроводов и об­моточного материала, а также сопутствующих в этом деле дополни­тельных, но, тем не менее, часто очень важных устройств.

 

Сварочный трансформатор. Основным элементом сварочной системы является трансформа­тор. Сварочный трансформатор понижает сетевое, как правило, одно­фазное напряжение 220 В до необходимого для сварки значения - 50...80 В. Работает сварочный трансформатор в специфических усло­виях - дуговом режиме - режиме практически максимальной отда­чи мощности. Поэтому сварочные трансформаторы должны быть по­строены таким образом, чтобы могли безболезненно переносить про­текание больших токов, в бытовых конструкциях до 200 А. Сюда же следует приобщить вибрации и возможность перегрева - тоже след­ствие высокой развиваемой мощности. Силовые параметры свароч­ных трансформаторов должны сочетаться с их динамическими свой­ствами - вольт-амперная характеристика трансформатора должна соответствовать определенным требованиям, иначе использовать его в качестве источника для ручной сварки будет затруднительно, а то и невозможно вообще, либо в состав конструкции придется включать дополнительное - весьма громоздкое и неудобное оборудование. Кроме того, достоинством конструкции сварочного трансформатора часто является по возможности небольшой вес и экономия материала при изготовлении, как первое, так и второе особенно важно для само­стоятельно изготовленных образцов, применяемых для работы в под­собном хозяйстве, так как они зачастую переносятся вручную.

 

Конструкции типовых сварочных трансформаторов весьма разно­образны, часто в их устройство заложены нераздельные элементы, предназначенные для регулирования тока. Разнообразие самодель­ных сварочных трансформаторов еще большее, так как в их конструк­циях часто встречаются решения нестандартные, а то и уникальные вообще - приемы, не нашедшие применения в трансформаторах больше нигде. С другой стороны, самодельные конструкции транс­форматоров максимально просты: практически никогда не содержат в себе дополнительных элементов для регулирования тока, свойст­венных промышленным образцам, таких как использование части магнитопровода трансформатора с дополнительным регулируемым реактивным сопротивлением и передвигающихся обмоток. Регулиро­вание силы сварочного тока в данном случае может осуществляться путем переключения витков катушек или с помощью внешних, суще­ствующих отдельно от трансформатора специальных устройств.

 

Рис. 1.2

Принципиально конструкция сварочного трансформатора весьма проста. Как и любой, привычный для нас трансформатор, он состоит из магнитопровода, сложенного из набора пластин трансформатор­ной стали, и первичной и вторичной обмоток, часто выполненных с отводами для регулирования или подстройки тока и напряжения. Первичная обмотка включается в сеть с напряжением 220 В. Если трансформатор рассчитан на какой-то определенный, требуемый ток, то варить можно непосредственно с выхода вторичной обмотки, без каких-либо дополнительных устройств ограничения тока (рис. 1.2). По крайней мере, большинство самодельных конструкций ориенти­рованы именно на такой - упрощенный режим использования, предназначенный для работы с наиболее распространенными трех-или четырехмиллиметровыми электродами. Но все же первичную обмотку лучше делать с отводами - это позволит регулировать в некоторых пределах сварочный ток, а при необходимости - подстро­ить трансформатор под упавшее напряжение сети, что также не явля­ется редкостью для наших условий. Более подробно о методах регу­лирования тока при сварке будет сказано далее, в соответствующем разделе этой статьи.

 

Основной, часто самой дефицитной при самостоятельном подбо­ре материалов частью трансформатора является магнитопровод. В большинстве случаев в самодельных конструкциях используются магнитопроводы, снятые с оборудования, которое до того не имело никакого отношения к электросварке. Этим объясняется большое разнообразие существующих в исполнении народными умельцами типов магнитопроводов сварочных трансформаторов. Сюда входят как стандартные для сварочного оборудования П-образные магнито­проводы, собранные в пакеты из прямоугольных пластин, так и не­свойственные промышленным схемам сердечники: Ш-образные, U-образные броневые магнитопроводы, тороидальные кольцевые и комбинированные магнитопроводы, состоящие из нескольких колец, в качестве магнитопровода для тороидальных трансформаторов так­же используются статоры от крупных асинхронных электродвигате­лей (рис. 1.3). Подобный разнобой в выборе материала, естественно, накладывает определенную специфику на построение и расчет само­дельных сварочных трансформаторов.

 

Рис. 1.3

 

Рис. 1.4Большинство промышленных сварочных трансформаторов кон­структивно выполнены по П-образной схеме, с увеличенным рассеи­ванием магнитного поля (рис. 1.4). У обычных силовых трансформа­торов первичная и вторичная обмотка максимально сближены (рис. 1.5), что в идеале должно приводить к высокому КПД, делая их внешнюю характеристику жесткой - малопригодной для ручной сварки. Однако же на практике нет ничего идеального, существует масса самодельных сварочных трансформаторов, намо­танных по схеме силового трансформатора, как на П-, так и на не Рис. 1.5распространенном для сварочного оборудования Ш-образном магнитопроводе. При этом все они работают в ручном режиме вполне при­емлемо. Фабричные сварки тоже часто изготовлены на основе трансформатора, у которого вторичные обмотки намотаны поверх частей первичной. При этом между витками самих обмоток и между обмотками вставляются планки из непроводящего ток материала, что при­водит к образованию между ними зазоров (рис. 1.6).

 

 

 

Рис. 1.6

 

Зазоры эти улуч­шают отток теплого воздуха из обмоток трансформатора, а также приводят к увеличению объема катушек, что в свою очередь несколько увеличивает магнитное рассеивание и улучшает характери­стику данного трансформатора.

 

Основные характеристики источника питания и сварочной дуги

 

 

 

Внешняя характеристика источника питания дуги. Кроме таких осязаемых параметров трансформатора как форма и геометрические размеры его магнитопровода, количество витков первичной и вто­ричной обмоток, величина входного и выходного напряжения, по­требляемый и развиваемый на выходе ток и т. д., существуют еще и такие характеристики электросварочной системы, которые в обыч­ных условиях оценить визуально или измерить с помощью измери­тельной аппаратуры невозможно, однако именно их показатели оп­ределяют пригодность трансформатора в качестве источника тока для ручной сварки или же обуславливают качество горения дуги и формирования сварного шва. То, что разные трансформаторы по-раз­ному варят, сварщикам известно хорошо. В одном случае дуга зажи­гается и горит стабильно, швы ложатся ровно, работать таким аппа­ратом легко - сварщики говорят: «варит мягко». В другом же слу­чае наоборот: удерживать дугу тяжело, она мерехтит и часто гаснет, металл сильно разбрызгивается, и швы получаются какими-то рва­ными и размытыми, притом что трансформатор развивает необходи­мый ток, даже вроде бы обладает запасом по мощности и с выход­ным напряжением у него тоже все в порядке. В чем же дело? А при­чина как раз в способности трансформатора стабильно держать рабочий ток, что характеризуется таким показателем, как внешняя вольт-амперная характеристика (ВАХ) источника питания. Под ис­точником питания в общем случае понимается трансформатор с при­соединенными к нему дополнительными устройствами, которыми могут быть активная или реактивная нагрузка (дроссель) или ка­кие-либо другие компоненты, улучшающие внешнюю характеристи­ку такого скомпонованного источника тока. Важно, что рабочий ток снимается с выхода всей этой системы. Если же сварочный транс­форматор используется как источник питания дуги сам по себе, без другого оборудования, то имеет смысл говорить о внешней вольт-ам­перной характеристике самого трансформатора. Притом, что в по­следнем случае оценка будет более наглядной, - хорошо, когда для ручной сварки используется трансформатор, обладающий хорошей характеристикой без каких-либо дополнительных средств ее улучше­ния. К тому же практика показывает, что в легких бытовых и пере­носных промышленных сварочных аппаратах громоздкие элементы для улучшения выходных характеристик не применяются вообще и источником питания дуги здесь является сам трансформатор.

Внешней вольт-амперной характеристикой источника питания на­зывается зависимость напряжения на клеммах источника от величины сварочного тока (рис. 1.7). Сварочный ток определяется свойствами нагрузки трансформатора, в данном случае электрической сварочной дуги. Трансформаторы могут иметь следующие виды внешних харак­теристик: крутопадающая (1), пологопадающая (2), жесткая (3), при достижении очень высоких токов, до 1000 А, может наблюдаться да­же возрастающая характеристика.

 

Рис. 1.7

Для ручной сварки применима только крутопадающая характеристика, жесткая и пологопадающая применяются при автоматической электросварке. Таким образом, из­готавливаемый сварочный трансформатор должен обладать крутопа­дающей внешней характеристикой - только тогда процесс сварки бу­дет происходить качественно. Дело здесь в том, что только при круто­падающей характеристике довольно-таки значительные колебания напряжения на дуге, как это видно на середине участка из графика, вызывают относительно небольшое изменение сварочного тока. А ведь величина напряжения на сварочной дуге в свою очередь зави­сит от длины дуги, которая поддерживается в процессе горения вруч­ную, потому не может быть стабильной. Вот почему только при кру­топадающей характеристике трансформатора колебания кончика электрода в руках сварщика будут не сильно сказываться на стабиль­ности горения дуги и качестве наплавки. Чтобы в полной мере понять этот процесс, полезно также более подробно рассмотреть особенно­сти горения дуги и определить ее характеристики.

 

 

Характеристики сварочной дуги. Сварочная дуга представляет собой длительный электрический разряд между концом электрода и областью дуговой зоны металла изделия. Сварочная дуга характеризуется значительной плотностью тока и высокой температурой катодной области электрода, превы­шающей 3000 градусов, при относительно небольшом значении раз­ности потенциалов - 20...25 В. При зажигании дуги сначала проис­ходит пробой газового промежутка электронами, потом, в течение микросекунд, процесс стабилизируется и в дуговом промежутке, в результате ионизации электронами молекул газов, появляется также ионная проводимость. Кроме того, стабилизатором горения дуги является плавящаяся и испаряющаяся обмазка электродов.

Рис. 1.8

При сварке плавящимся элек­тродом, под действием высокой температуры, на его конце происхо­дит плавление металла, образова­ние капли, ее отрыв от электрода и перенос на металл изделия. При ручной сварке в виде капель пере­носится до 95% электродного ме­талла, некоторая его часть превра­щается в пары и брызги (рис, 1.8). Диаметр капель и скорость их обра­зования зависят от силы тока, диа­метра электрода, длины дуги и ряда других условий. При сварке покры­тыми электродами большинство ка­пель окутано в оболочку из шлака, образующегося при плавлении покрытия, поэтому при прохождении они не замыкают дуговой промежуток. Однако короткое замыкание дугового промежутка некоторыми каплями все же происходит, что приводит к кратковременным падениям напряжения и скачкам сва­рочного тока. Для стабильности процесса горения дуги важна способ­ность трансформатора к быстрому восстановлению тока и напряже­ния. В сварочной дуге происходит нелинейное распределение темпе­ратуры и падение напряжения, зависящих от силы тока.

 

Статическая вольт-амперная характеристика дуги. Наибольший практический интерес при рассмотрении сварочной дуги для нас представляет ее статическая вольт-амперная характери­стика. Ни в коем случае не стоит путать вольт-амперные характери­стики источника питания (трансформатора) и дуги, так как они обу­словлены совершенно разными по сути физическими процессами. Статической вольт-амперной характеристикой дуги называют зави­симость падения напряжения на дуге от силы сварочного тока при постоянной длине дуги и прочих постоянных условиях горения дуги.

 

Вольт-амперные характеристики дуги снимаются в лаборатор­ных условиях, от специального источника с регулируемыми пара­метрами. Проведение данного эксперимента связано со значительны­ми трудностями из-за сложности измерения и поддержания длины дуги, а также поддержания неизменными других физических усло­вий. Трудности особенно усугубляются при проведении эксперимен­та с плавящимися электродами, длина дуги в процессе плавления ко­торых постоянно меняется, кроме того, происходит влияние на дугу капель переносимого расплавленного металла вплоть до замыкания в некоторых случаях этими каплями дугового промежутка. Однако эм­пирические результаты для такого рода дуг были давно получены и исследованы (рис. 1.9), их форма сохраняет свой вид и в случае руч­ной электросварки.

Рис. 1.9

Статическую вольт-амперную характеристику дуги условно мож­но разделить на три участка: падающая - с ростом сварочного тока напряжение уменьшается (1); жесткая - с ростом тока напряжение остается практически неизменным (2); возрастающая - рост тока вызывает увеличение напряжения дуги (3). Зажигание дуги происхо­дит при напряжениях 40...50 В. По мере увеличения тока дуги на­пряжение на ней падает до 20...25 В, уменьшение напряжения пре­кращается при достижении тока 70...80 А. При дальнейшем росте тока напряжение дуги стабилизируется - именно этот участок луч­ше всего использовать для электросварки. При токах свыше 800 А напряжение дуги начинает расти, однако такие значения недостижи­мы для бытовой электросварки и потому для нас малоинтересны. По­ложение вольт-амперных характеристик различно для дуг различной длины. При увеличении длины дуги график вольт-амперной зависи­мости сдвигается вверх - в сторону возрастания напряжения (рис. 1.10). Так, вольт-амперная характеристика (L3) соответствует короткой дуге; зависимость (L1) - длинной дуге для того же элек­трода и источника питания.

Рис. 1.10 При ручной электросварке, вследствие дрожания рук сварщика, неровностей поверхности и других причин, происходит неизбежное колебание кончика электрода и изменение длины дуги. Как нам те­перь известно, при изменении длины дуги меняет свое положение и вольт-амперная характеристика - изменяется протекающий через дуговой промежуток ток, соответственно, меняется ток трансформа­тора, что уже описывается внешней вольт-амперной характеристи­кой источника питания. Таким образом, в результате наложения свойств дуги и источника питания стабильное горение дуги возмож­но только в точке пересечения графиков статической вольт-амперной характеристики дуги и внешней характеристики источника пита­ния, то есть когда выходное напряжение источника соответствует напряжению дуги при определенной ее длине (рис. 1.11). Рис. 1.11Однако же длина дуги при ручной сварке постоянно меняется, а значит, меняет­ся и положение точки пересечения этих зависимостей.
 

Что же мы видим? На рис. 1.12 изображены две статические ха­рактеристики одной и той же дуги на разных длинах LI, L2 - колеба­ние длины дуги естественно при ручной сварке. Далее будем считать, что мы запитываем дугу от двух разных трансформаторов: с крутопа­дающей и пологопадающей внешней характеристикой. Графики со­ответствующих ВАХ трансформаторов изображены здесь же, и они пересекают кривые статических ВАХ дуги. Горение дуги возможно только в точках пересечения кривых внешних характеристик транс­форматоров со статическими кривыми дуги на длинах LI, L2. Теперь обратите внимание, как изменяется ток в точках горения в первом и во втором случае, при переходе дуги с длины L1 на длину L2. Рис. 1-12Так, в первом случае, для трансформатора с крутопадающей внешней характеристикой, изменение тока между крайними точками горения сварочной дуги соответствует значению ΔIкр.хар, которое относи­тельно небольшое. Во втором же случае, при тех же колебаниях дли­ны дуги, но уже в точках горения дуги для трансформатора с полого-падающей характеристикой, мы видим значительную разницу в изме­нении сварочного тока - ΔIпол.хар.

 

Выводы очевидны: стабильное горение дуги и высокое качество сварного шва возможны только при минимальных колебаниях рабо­чего тока, что может обеспечить только источник с крутопадающей внешней характеристикой.

 

Исправление внешней характеристики источника питания.

 

 

Очевидно, что понятие крутопадающей характеристики для нас весьма условно, ведь как-либо количественно оценить крутизну паде­ния вольт-амперной кривой конкретного трансформатора в реальных условиях вряд ли удастся. О качестве внешних характеристик свароч­ных трансформаторов судят на практике. Если с трансформатором работать легко, дуга горит стабильно, а наплавленный металл ложится равномерно - значит, все в порядке; иначе - характеристика транс­форматора смещена в сторону жесткой. К сведению: у всех представленных в следующей главе конструкциях самодельных сварочных трансформаторов внешние характеристики отвечают ус­ловиям ручной сварки. Проблемы здесь скорее возникли бы у того, кто задался бы целью построить трансформатор как раз с жесткой ха­рактеристикой. Однако на практике все же иногда требуется исправ­ление или улучшение характеристик горения сварочной дуги, чего можно добиться достаточно простыми средствами. Добиться исправ­ления внешней характеристики источника питания в сторону круто­падающей можно простым включением в сварочную цепь балластно­го сопротивления величиной в сотые доли ома - куска проволоки из нихрома или другого металла с высоким удельным сопротивлением (рис. 1.13). Балластное сопротивление несколько ограничит Рис. 1.13

максимальный ток трансформатора, зато заметно улучшит его внешнюю ха­рактеристику, особенно если она близка к жесткой. Так, при потере мощности в пределах 20...30 %, можно добиться приемле­мых результатов горения дуги в ручном режиме у трансформаторов, с которыми до того работать было очень тяжело. К улучшению крутиз­ны внешней характеристики трансформатора приводит также увели­чение его выходного напряжения холостого хода, хотя при этом не­сколько уменьшается КПД трансформатора. Здесь уместно отметить, что лучшими для ручной электросварки внешними характеристиками обладают как раз трансформаторы с относительно невысокими КПД.

 

Дополнительные характеристики

 

 

 

Кроме рассмотренных выше основных характеристик, дуга и ис­точник питания характеризуются рядом дополнительных, которые влияют в основном на процесс зажигания дуги и поведение свароч­ной системы в некоторых нестандартных ситуациях.

 

 

 

Динамическая характеристика источника питания. Источник питания дуги должен быстро реагировать на изменения тока и напряжения в дуге, происходящие в процессе плавления элек­трода. Это выражается временем восстановления напряжения от нуле­вого значения в момент короткого замыкания до напряжения повтор­ного зажигания дуги. Это время есть динамическая характеристика ис­точника. Оно не должно превышать 0,05 с на 25 В. Эта способность трансформатора особенно важна при замыкании каплей переносимого расплавленного металл дугового промежутка, то есть когда, по сути, трансформатор переходит в режим короткого замыкания.

 

 

Отношение силы сварочного тока к току короткого замыкания. Сила тока при коротком замыкании выхода вторичной обмотки трансформатора на практике может превышать сварочный ток в 1,1...2 раза. Для промышленных источников питания нормальными считаются значения в пределах 1,1... 1,5 раза. С точки зрения про­мышленных технологий: чем меньше это отношение - тем лучше. Однако для ручной электросварки в бытовых условиях малое отно­шение токов короткого замыкания и сварки могут оказаться весьма вредным свойством, о чем будет сказано несколько ниже. Реко­мендуется считать хорошими для бытовых целей отношение токов в пределах 1,3... 1,6 раза.

 

 

 

Эластичность дуги. Для устойчивого горения дуги важное значение имеет эластич­ность. Дуга считается эластичной, если дуга продолжает гореть при относительно значительном увеличении ее длины, вызванном разны­ми причинами. Эластичность дуги оценивают количественно. Крите­рием эластичности дуги является ее наибольшая длина, при которой дуга еще не гаснет. Для бытовых аппаратов, работающих на трех-, четырехмиллиметровых электродах, хорошими показателями эла­стичности можно считать дугу, горящую при длине 5.. .7 мм. Вообще же при больших длинах дуги нарушается перенос электродного ме­талла на изделие и сильно меняется сварочный ток, поэтому этот ре­жим не является рабочим режимом.

 

Улучшение свойств горения дуги

Дуга переменного тока. При питании сварочной дуги от обычного трансформатора - пе­ременным током - полярность электродов, а также условия горения дугового разряда периодически изменяются. Сварочная дуга может загореться только при достижении в начале синусоидального полупе­риода уровня напряжения, соответствующего напряжению зажига­ния дугового разряда - Uзаж, точка А (рис. 1.14). В конце полуперио­да, когда амплитуда напряжения опустится несколько ниже Uзаж, дуга погаснет, точка В. Ситуация повторится в следующем полупериоде, при повторном зажигании и потухании дуги, точки A1, В1, как и в ка­ждом следующем полупериоде. То есть сварочная дуга переменного тока зажигается и гаснет 100 раз в секунду и горит отдельными вспышками. Протекание сварочного тока возможно только между точками А-В, А1-В1 и т. д. Рис. 1.14В промежутке В-А1 дуга гаснет, ток не течет. На устойчивость и скорость повторного зажигания дуги суще­ственное влияние оказывают параметры источников питания. К та­ким параметрам прежде всего относятся напряжение холостого хода и скорость его восстановления после обрыва тока дуги, фазовый сдвиг между напряжением холостого хода источника и током дуги.

Естественно, временные простои в горении дуги оказывают не­благоприятное влияние на процесс электросваривания. По возмож­ности разрывы в горении стараются уменьшить или же избавиться от них вообще. Сократить разрывы в горении сварочной дуги можно путем повышения напряжения холостого хода источника питания. Однако напряжение холостого хода для переменного тока не может быть выше 80 В с точки зрения безопасности. К тому же повышенное напряжение приводит к падению КПД трансформатора, расходу ма­териала и удорожанию конструкции.

 

Рис. 1.15

Другим путем повышения непрерывности в горении дуги являет­ся включение в сварочную цепь дросселя (рис. 1.15), приводящего к сдвигу фаз между током и напряжением (рис. 1.16). Сварочная дуга, горящая на переменном токе со значительной индуктивностью в це­пи, может не иметь перерывов вообще, так как ее горение поддержи­вает теперь ЭДС самоиндукции. Для того чтобы величина ЭДС само­индукции была достаточной для поддержания горения дуги в момент снижения напряжения источника, необходим определенный угол сдвига фаз φ между током и напряжением. Устойчивое горение дуги на любых сварочных токах обеспечивается при cosφ = 0,35...0,6. В результате сдвига фаз ток продолжает протекать и после снижения напряжения на клеммах трансформатора ниже уровня U3 (рис. 1.17).

 

Рис. 1-16 Рис. 1-17

 

Указанные выше меры широко применяются в промышленных стационарных сварочных аппаратах. В переносных и самодельных конструкциях подобные способы улучшения горения дуги не нашли применения из-за громоздкости оборудования (дросселя во вторич­ной цепи), резкого увеличения веса и усложнения конструкции. В случае необходимости дроссель может использоваться в свароч­ном оборудовании как съемный дополнительный элемент - такие дросселя выпускаются промышленностью и могут изготовляться са­мостоятельно. В компактных сварочных аппаратах также не стремят­ся к увеличению напряжения холостого хода, ограничиваясь, как правило, величиной в пределах 47.. .60 В.

Дуга постоянного тока

 

Кроме переменного тока для питания сварочной дуги может ис­пользоваться постоянный ток. На постоянном токе горение свароч­ной дуги более стабильно, сварные швы получаются более качест­венными, легче поддерживаются пониженные значения сварочных токов. Кроме того, некоторые типы электродов, например для сварки нержавеющей стали, требуют только постоянного тока. Обычные же электроды, предназначенные для переменного тока, нормально рабо­тают и на постоянном токе. Постоянный ток в бытовых сварочных аппаратах получается путем выпрямления переменного тока с помо­щью полупроводниковых выпрямительных мостов.

Рис. 1.18

Выпрямительный мост может быть создан на основе мощных диодов типа В-200 (максимальный ток 200 А) (рис. 1.18). Эти диоды имеют внушительные размеры, а их корпус посажен на алюминие

вые радиаторы. Причем корпус диода, а значит, и крупный радиатор находятся под напряжением, поэтому диоды с их радиаторами долж­ны крепиться так, чтобы не имели контакта друг с другом, не касаясь токопроводящих частей корпуса аппарата. Подобное неудобство с креплением приводит к тому, что размеры собранного диодного мос­та слишком вырастают, увеличивая и усложняя конструкцию сварочного аппарата в целом. В последнее время на рынке появились уже готовые - интегрированные в одном корпусе диодные мосты импортного производства. Размер одного такого диодного мостика со­поставим с размерами спичечного коробка или одного диода В-200 без радиатора, при максимальном токе 30...50 А. Если интегрирован­ные диодные мосты соединить параллельно (рис. 1.19), Рис. 1.19то вместе они смогут выдерживать более значительные токи. Строго говоря, сум­марный ток такого объединенного выпрямителя не равняется сумме максимальных токов входящих в него диодных мостов, они не могут обладать абсолютно одинаковыми параметрами, а значит, каждый пропускает через себя несколько различные по величине токи. Одна­ко если собрать эту схему с некоторым запасом по мощности, учиты­вая ток короткого замыкания, то можно добиться более компактных размеров, чем в случае с В-200. Дело в том, что корпуса диодных мостиков не находятся под напряжением и их все можно садить на один общий радиатор и свободно крепить где удобно внутри корпуса сварочного аппарата. Для выпрямителя может использоваться 3-5 интегрированных диодных мостиков, обязательно одной и той же марки. Как показывает практика, они не сильно греются и даже без проблем могут выдерживать кратковременные перегрузки, притом, что сварочный аппарат большей частью вообще работает в кратко­временном режиме.

 

Рис. 1-20-21

 

 

 

На диодных мостах происходит неизбежное падение напряже­ния, поэтому на выходе источника питания постоянного тока напря­жение будет где-то на 4...5 В меньше от напряжения холостого хода трансформатора (без конденсатора). При этом напряжение на выходе не будет строго постоянным - его форма будет пульсирующей (рис. 1.20). Если проводить измерения в режиме холостого хода вольтметром постоянного тока, то его показания будут соответство­вать чему-то вроде эффективного значения постоянного пульсирую­щего напряжения (показания примерно в 1,4... 1,5 раза меньше на­пряжения пиков максимумов амплитуды Um). В принципе, обычные вольтметры не предназначены для точного измерения подобного ро­да сигнала. Форму постоянного напряжения можно сгладить, устано­вив на выходе конденсатор емкостью 5000 ...10000 мкФ. В этом слу­чае показания вольтметра возрастут примерно в 1,4 раза, так как кон­денсатор на холостом ходу зарядится до уровня максимального по амплитуде напряжения. Конденсатор рекомендуется ставить особен­но в том случае, если источник питания имеет низкое выходное на­пряжение (меньше 40 В) и возникают трудности в момент зажигания сварочной дуги. При этом конденсатор лучше включить через сопро­тивление порядка 0,5 ...1 Ом (рис. 1.21). Присутствие резистора обу­словлено тем, что в момент зажигания дуги происходит касание кон­ца электрода об металл изделия - то есть короткое замыкание. Если сопротивления в цепи конденсатора нет, то происходит мгновенный разряд конденсатора большой емкости, импульс высокого тока со­провождается громким щелчком, а часто разрушением кончика элек­трода или его мгновенным привариванием к металлу изделия. Рабо­тать с таким источником весьма неудобно, треск разрядов действуют на нервы. Дополнительный же резистор ограничивает ток, сглажива­ет разряд конденсатора, делая зажигание дуги легким и мягким.

 

 

Выбор мощности сварочного трансформатора

 

 

 

Прежде чем приступить к изготовлению сварочного трансформа­тора или более завершенной конструкции - сварочного аппарата, необходимо четко определиться - на какой величине сварочного то­ка его предстоит эксплуатировать. Величина тока сварочного трансформатора связана с мощностью следующей зависимостью:

 

 

 

Р = UIcosφ,

 

 

где φ - угол сдвига фаз между током и напряжением.

 

Так как сам трансформатор является индуктивной нагрузкой, то угол сдвига фаз всегда существует. В случае расчета потребляемой мощности cosφ можно принять равным 0,8.

 

Однако для сварщика наиболее важной характеристикой являет­ся не мощность источника питания, а развиваемый им ток в дуговом режиме, так как именно на ток рассчитаны электроды соответствую­щих диаметров и марок.

 

Для электросварки в бытовых целях чаще всего используются по­крытые электроды из низколегированной стали диаметром 2, 3 и 4 м. Из них наибольшее распространение получили, наверное, трех­миллиметровые электроды - «тройка», как наиболее универсальное решение, подходящие для сваривания как относительно тонкой ста­ли, так и для металла значительной толщины. Сварочный ток выби­рается исходя из формулы:

 

 

 

I = (20 + 6d)d.

 

 

 

Или жe по упрощенной зависимости: I = Kd (А), где d - диаметр электрода; К - коэффициент, принимается 25...50 А/мм.

 

При этом коэффициент 25 А/мм выбирается для так называемой холодной сварки, для которой лучше подходит постоянный ток. Для большинства же видов работ, в основном проводящихся в нижнем го­ризонтальном положении, берется коэффициент 35...40 А/мм. Таким образом для сварки двухмиллиметровыми электродами выбирается ток порядка 70 А; «тройка» чаще всего работает на токе 110...120 А; для «четверки» потребуется сила в 140... 150 А сварочного тока. Есте­ственно, для заваривания особенно массивных изделий и для резки металла выбираются токи исходя с коэффициента повыше - 45...50 А/мм. Для заваривания тонкого металла и потолочных швов, напротив, ток необходимо уменьшать. Так как большинство свароч­ных аппаратов не обладают средствами точного отображения свароч­ного тока, то сила тока обычно подбирается для конкретных работ опытным путем, так, чтобы сварочная дуга горела устойчиво, наплавление шло равномерно, но при этом не выделялось излишнее тепло.

 

Приступая к сборке трансформатора, разумным будет устано­вить для себя предел выходного тока, и мотать обмотки под выбран­ную мощность. Хотя здесь можно ориентироваться и на максималь­но возможную мощность для конкретного образца, учитывая, что от однофазной сети любой трансформатор вряд ли способен развить ток выше 200 А. При этом необходимо четко осознавать, что с уве­личением мощности растет степень нагрева и износа трансформато­ра, необходимы более толстые и дорогие провода, увеличивается вес, да и не каждая электросеть может выдержать аппетиты мощных сварочных аппаратов. Золотой серединой здесь может быть мощ­ность трансформатора, достаточная для работы наиболее ходовым трехмиллиметровым электродом, для чего понадобится выходной ток 120...130 А. Правильно рассчитанный и изготовленный свароч­ный трансформатор обеспечивает хорошее качество сварки на задан­ной мощности, не требует каких-либо дополнительных средств огра­ничения тока или исправления характеристик, не перегревается, имеет больший ресурс надежности и не так садит сеть, не приводя лишний раз к выбиванию «пробок».

 

Расчет сварочного трансформатора

 

Наиболее ответственной задачей при самостоятельном изготов­лении сварочного трансформатора является расчет его параметров, определяющих прежде всего мощность и ток вторичной катушки, также немаловажны КПД, качество выходных характеристик, надеж­ность собираемого изделия. Конструирование самодельных свароч­ных трансформаторов обладает своей, выраженной спецификой, так как в большинстве случаев они не соответствуют типовым схемам и для них, по большому счету, нельзя применить стандартные методи­ки расчета, разработанные для промышленных трансформаторов. Специфика состоит в том, что при изготовлении самоделок парамет­ры их компонентов подстраиваются под уже имеющиеся в наличии материалы - в основном под магнитопровод. Часто трансформато­ры собираются не из самого лучшего трансформаторного железа, мо­таются не самым подходящим проводом, усиленно греются и вибри­руют, но главное - работают, отвечая потребностям своего владель­ца, при этом не сильно уменьшая бюджет на свое приобретение.

 

При изготовлении трансформатора, близкого по конструкции промышленным образцам, можно пользоваться стандартными мето­диками расчета. Такие методики устанавливают наиболее оптималь­ные значения обмоточных и геометрических параметров трансформато­ра. Однако, с другой стороны, эта же оптимальность является недос­татком стандартных методик. Так как они оказываются совершенно бессильными при выходе какого-либо параметра за рамки стандарт­ных значений.


 


 

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 Pдл

 

Рис. 1.22

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:

 

Pдл = 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·km/n,

 

где km = 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·N2·Bm),

 

где ƒ = 50 Гц - промышленная частота тока; Вт - индукция магнит­ного поля в сердечнике, Тл. Для трансформаторной стали индукция может быть принята Вт = 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:

  • ширина пластины стали из пакета магнитопровода

 

α = (100/(p1·kc))1/2;

 

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

 

 

  • ширина окна магнитопровода c = b/p2, где p1 = 1,8...2,2; p2 = 1,0...1,2; kc = 0,95...0,97 - коэффициент запол­нения стали. Измеряемая по линейным размерам сторон собранного трансформатора площадь сечения магнитопровода будет несколько больше рассчитанного значения, надо учитывать неизбежные зазоры между пластинами в наборе железа, и равняется: Sиз = S/kc.

 

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.

 

 

формула

Итак, параметр мощности:

 

 

формула

 

Определяем значение вольта на виток:

 

 

формула

 

Числа витков:

 

формула

Коэффициент трансформации:

 

 

формула
 

 

Ток первичной обмотки:

 

 

формула

где принимается km = 1,1.

 


И, наконец, сечение магнитопровода:

 

 

формула

 

где принимаем Вm = 1,5 Тл.

 

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

 
формула

Геометрические параметры магнитопровода:

 

  • ширина пластин плеч магнитопровода

 

формула

  • толщина пакета пластин магнитопровода

b = 37,7∙2 = 75,4 мм;

  • ширина окна магнитопровода с = 75,4 1,2 = 90 мм. (значение α подбирается ближайшее из сортамента трансформаторной стали, конечное значение b корректируется с учетом ранее вы­бранного α, ориентируясь на полученные значения S и SИЗ).

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 SИЗ = 28,4 см . Так как был отдельно проведен расчет трансформатора для случая с ПР = 100%, то соотношения SИЗ и N1 в этом случае получились несколько иными: 41,6 см2 и 168 соответственно для того же тока 160 А.

Рис. 1-23
 

 

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.

 

Расчет нестандартного трансформатора

 

Неприемлемость во многих случаях стандартных методик расчета заключается в том, что они устанавливают для конкретной мощности трансформатора только единые значения таких основных параметров, как измеренная площадь сечения магнитопровода (Sиз)и количество витков первичной обмотки (N1), хотя последние и считаются оптимальными. Выше нами было получено сечение магнитопровода для тока 160 А, равное 28 см2. На самом деле сечение магнитопровода для той же мощности может варьироваться в значительных преде­лах - 25...60 см2 и даже выше, без особой потери в качестве работы сварочного трансформатора. При этом под каждое произвольно взя­тое сечение необходимо рассчитать количество витков, прежде всего первичной обмотки, таким образом, чтобы получить на выходе за­данную мощность. Зависимость между соотношением S и N1 близка к обратно пропорциональной: чем больше площадь сечения магнитопро­вода (Sиз), тем меньше понадобиться витков обеих катушек.

 

Самой важной частью сварочного трансформатора является магнитопровод. Во многих случаях для самоделок используются магнитопроводы от старых электроприборов, которые до того ничего об­щего со сваркой не имели: всевозможные крупные трансформаторы, автотрансформаторы (ЛАТРы), электродвигатели. Часто эти магнитопроводы обладают весьма экзотической конфигурацией, а их гео­метрические параметры невозможно изменить. И сварочный транс­форматор приходится рассчитывать под то, что есть, - нестандарт­ный магнитопровод, используя нестандартную методику расчета.

 

Наиболее важными при расчете параметрами, от которых зависит мощность, являются площадь сечения магнитопровода, количество витков первичной обмотки и расположение на магнитопроводе пер­вичной и вторичной обмоток трансформатора. Сечение магнитопро­вода в данном случае измеряется по наружным размерам сжатого па­кета пластин, без учета потерь на зазоры между пластинами, и выра­жается в см2. По расположению обмоток трансформаторы можно разделить на два типа: такие, у которых первичная и вторичная об­мотки (или их части) находятся на одном плече (рис. 1.23, а); второй тип - у которых обмотки разнесены на разные плечи (рис. 1.23, б). При напряжении питания сети 220...240В с незначительным сопро­тивлением в линии, можно рекомендовать использовать следующие формулы при­ближенного расчета витков первичной обмотки, которые дают поло­жительные результаты для токов 120... 180 А для многих типов сва­рочных трансформаторов.

 

Для первого типа (с обмотками на одном плече (рис. 1.23, а)):

 

формула

Для второго типа (с разнесенными обмотками (рис. 1.23, б)):

 

формула

 

где N1 - примерное количество витков первичной обмотки, Sиз - из­меренное сечение магнитопровода (см2), I2 - заданный сварочный ток вторичной обмотки (А), U1 - сетевое напряжение.

 
 
 
 
 
 

При этом надо учитывать, что для трансформатора с разнесенны­ми по разным плечам первичной и вторичной обмотками вряд ли уда­стся получить ток более 140 А - сказывается сильное рассеивание магнитного поля. Нельзя также ориентироваться на ток выше 200 А для остальных типов трансформаторов. Формулы носят весьма при­ближенный характер. Некоторые трансформаторы с особенно несо­вершенными магнитопроводами дают значительно более низкие по­казатели выходного тока. Кроме того, существует много таких пара­метров, которые нельзя определить и учесть в полной мере. Обычно неизвестно, из какого сорта железа изготовлен тот или иной, снятый со старого оборудования магнитопровод. Напряжение в электросети может сильно изменяться (190...250 В). Еще хуже, если линия элек­тропередачи обладает значительным собственным сопротивлением, составляя всего единицы Ома, оно практически не влияет на показа­ния вольтметра, обладающего большим внутренним сопротивлением, но может сильно гасить мощность сварки. Рис. 1.24Учитывая все вышеизложенное, рекомендуется первичную обмотку трансформатора выпол­нять с несколькими отводами через 20.. .40 витков (рис. 1.24). В этом случае всегда более точно можно будет подобрать мощность транс­форматора или подрегулировать ее под напряжение конкретной сети.

 

Количество витков вторичной обмотки определяется из соотно­шения (кроме «ушастика», см. ниже):

 

формула

 

где U2 - желаемое напряжение холостого хода на выходе вторичной обмотки (45...70 В), U1 - напряжение сети.

 



Related items

 
Осциллограф незаменимый прибор Техническое обслуживание электродвигателей