Текст книги "Сварочные работы. Электродуговая. Газовая. Холодная. Термитная. Контактная сварка"

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 изготовления. На первое место здесь зачастую ставят не тщательность расчета параметров конструкции и соблюдение технологии изготовления, а возможность достать тот или иной компонент будущей конструкции своего сварочного аппарата. Особенно актуальна экономия финансовых 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 имеющиеся в наличии материалы – в основном под магнитопровод. Параметры элементов некоторых сварочных трансформаторов могут сильно выходить за рамки рекомендуемых стандартными методиками значений. А для некоторых схем, нашедших признание в кустарном производстве, никакие стандартные методики вообще не разработаны. К тому же индивидуально изготовленные сварочные аппараты (далее – СА), как правило, соответствуют конкретным нуждам того или иного изобретателя. Всё это обусловливает разнообразие конструкций любительских сварочных аппаратов. И хотя зачастую трансформаторы собирают не из самого лучшего трансформаторного железа, их мотают не самым подходящим проводом, они усиленно греются и вибрируют, главное – они работают. Их характеристики находятся 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.

Проектирование сварочных аппаратов

Любительские СА должны удовлетворять ряду требований, основные из которых следующие: относительная компактность и небольшой вес; достаточная продолжительность непрерывной работы от сети 220 В (не менее 5–7 электродов ∅3–4 мм). Вес и габариты аппарата могут быть снижены благодаря уменьшению его мощности, а увеличение продолжительности 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 любительского 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 напряжение 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 сварочного 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 достаточно сложно. Для грубого (ступенчатого) перекрытия диапазона сварочных токов необходима 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 механические 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 перекрытию диапазона сварочных токов. Целесообразно на первом этапе собрать простой сварочный аппарат переменного тока для работы с электродами ∅2–4 мм, а на втором этапе дополнить 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 мощности 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, достаточная для работы наиболее популярным электродом ∅3 мм, для чего понадобится выходной ток 120–130 А.

Основным элементом классического сварочного источника переменного тока является специализированный сварочный трансформатор (далее – СТ). По характеру устройства магнитного 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 вторичной 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 – тороидальный 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

В ранних сварочных источниках такой дроссель присутствовал как независимый конструктивный элемент, дополнительно увеличивающий массу и габариты сварочного источника. 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 значительная часть магнитного потока первичной обмотки не связана со вторичной обмоткой. Еще говорят, что эти трансформаторы имеют развитое электромагнитное рассеяние. Индуктивности рассеяния обмоток имеют значительную величину, и их реактивное сопротивление гораздо сильнее влияет на ток трансформатора, чем в случае трансформатора с цилиндрическими 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 характеристику, 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 обмотками, 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-образных пластин из трансформаторной стали, тороиды, намотанные из трансформаторной стальной ленты, статоры асинхронных двигателей и т. д. Оптимальными считаются характеристики 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 стягивают в пакет шпильками, которые должны быть изолированы от сердечника. При подборе сердечника необходимо учитывать площадь поперечного сечения сердечника (керна) (см²) и размеры окна, чтобы поместились обмотки сварочного аппарата.

Широкое распространение получили также любительские сварочные аппараты на сердечниках 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.

Рис. 37. Виды обмоток стержневых трансформаторов:

а – цилиндрические; б – разнесенные; в – дисковые

Заслуживают внимания и любительские СА, изготовленные на базе статоров асинхронных 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.

Эта методика применима для расчета распространенных в промышленности СТ с увеличенным магнитным рассеянием. Такой трансформатор изготовлен на основе П-образного магнитопровода. Его первичная и вторичная обмотки состоят из двух равных частей, размещенных на противоположных плечах магнитопровода и соединенных между собой последовательно.

Исходными данными при расчете сварочного трансформатора являются заданная мощность трансформатора, коэффициент продолжительности работы, номинальный ток, напряжение холостого хода и тепловой режим работы.

Величина тока сварочного трансформатора связана с мощностью следующей зависимостью:

P=U·I·cos φ.

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 мм. Из них наибольшее распространение получили электроды ∅3 мм, подходящие для сваривания как относительно тонкой стали, так и металла значительной толщины.

Сварочный ток выбирают исходя из формулы:

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 горизонтальном положении, берется коэффициент 35–40 А/мм. Таким образом, для сварки электродами ∅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 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.

Для выбора числа витков обмоток трансформатора рекомендуется пользоваться эмпирической зависимостью параметра Е (в вольтах на виток):

Е= 0,55 + 0,095Р_дл.

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:

где I₂ – номинальный сварочный ток, A; U₂ – напряжение холостого хода вторичной обмотки; ПР – коэффициент продолжительности работы, %. Коэффициент продолжительности работы показывает, сколько времени (в %) трансформатор работает в дуговом режиме (нагревается), остальное время он находится в режиме холостого хода (остывает). Для самодельных 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 I₂. 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 трансформатора обеспечивает выбор значения низкого ПР.

Число витков (сумма обеих половин) первичной и вторичной обмоток определяют соответственно:

где U₁ – напряжение сети, В.

Номинальный ток первичной обмотки в амперах:

где k_m = 1,05—1,1 – коэффициент, учитывающий намагничивающий ток трансформатора; – коэффициент трансформации.

Сечение стали сердечника трансформатора (см²) определяют по формуле:

где ƒ = 50 Гц – промышленная частота тока; В_m– индукция магнитного поля в сердечнике, Тл. Для трансформаторной стали индукция может быть принята В_m = 1,5–1,7 Тл (рекомендуются меньшие значения).

Конструктивные размеры трансформатора приведены применительно к стержневой конструкции магнитопровода. Линейные размеры даны в миллиметрах:

– ширина пластины стали из пакета магнитопровода;

– толщина пакета пластин плеча магнитопровода b = a·p₁;

– ширина окна магнитопровода c = b·p₁,

где p₁ = 1,8–2,2; p₂ = 1,0–1,2; k_c = 0,95—0,97 – коэффициент заполнения стали. Измеряемая по линейным размерам сторон собранного трансформатора площадь сечения магнитопровода будет несколько больше рассчитанного значения из-за неизбежных зазоров между пластинами в наборе железа:.

Высота магнитопровода методикой строго не устанавливается. Его выбирают исходя из размеров катушек с проводом, крепежных размеров, а также расстояния между катушками, которое выставляют при подстройке тока трансформатора. Размеры катушек определяют сечением провода, количеством витков и способом намотки.

Пример расчета

Для примера рассчитаем с помощью вышеприведенной методики данные для СТ с рабочим током вторичной обмотки I₂ = 160 А, выходным напряжением холостого хода U₂ = 50 В, сетевым напряжением U₁ = 220 В, ПР = 20 %.

Параметр мощности

Определяем значение вольт на виток:

Е = 0,55 + 0,095 · 3,58 = 0,89.

Числа витков:

Коэффициент трансформации:

Ток первичной обмотки: , где принимается k_m = 1,1.

Cечение магнитопровода: , где принимаем В_m = 1,5 Тл.

Реальное сечение сердечника: .

Геометрические параметры магнитопровода:

– ширина пластин плеч ;

– толщина пакета пластин b = 37,7·2 = 75,4 мм;

– ширина окна с = 75,4·1/2 = 90 мм.

При этом значение а подбирается ближайшее из сортамента трансформаторной стали, конечное значение b корректируется с учетом ранее выбранного а, ориентируясь на полученные значения S и S_из.

Альтернативный стандартному (и упрощенный) расчет обмоток СТ будет следующим.

Определяем сварочный ток, т. е. ток во вторичной обмотке, по максимальному диаметру применяемого электрода I₂ = 30 d_э, где I₂ – ток во вторичной обмотке W₂, А; 30 – плотность тока, А/мм²; d_э – диаметр электрода.

Сечение провода (мм²) вторичной обмотки c = 75,4 · 1,2 = 90, где I_пл – плотность тока, А/мм² (для алюминия 2,5 А/мм², для меди 5 А/мм²).

Мощность СТ (Вт), где U₂ – напряжение вторичной обмотки W₂, B. Для однофазного СТ оптимальное U₂ = 50 B.

Поперечное сечение магнитопровода, .

Количество витков на , где К – коэффициент, равный 45.

Ток в первичной обмотке , где U₁ – напряжение сети (220 В).

Сечение провода первичной обмотки

Количество витков первичной обмотки W₁: N₁ = E·U₁.

.

Количество витков вторичной обмотки W₂: N₂ = 1,05 E·U₁, где 1,05 – поправочный коэффициент для учета потерь 5 %.

Неприемлемость во многих случаях стандартных методик расчета заключается в том, что они устанавливают для конкретной мощности трансформатора пусть даже и оптимальные, но единственные значения таких основных параметров, как измеренная площадь сечения магнитопровода (S_из) и количество витков первичной обмотки (N₁). Выше было получено сечение магнитопровода для тока 160 А, равное 28 см. На самом деле сечение магнитопровода для той же мощности может варьироваться в значительных пределах – от 25 до 60 см² и даже выше, без особых потерь в качестве работы СТ. 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, тем меньше понадобится витков обеих катушек.

Магнитопровод является самой важной частью СТ. Часто для самоделок используют сердечники от старых электроприборов, которые до того ничего общего со сваркой не имели. Часто такие магнитопроводы обладают весьма экзотической конфигурацией, а их геометрические параметры невозможно изменить. Тогда приходится использовать 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. Как говорилось выше, по расположению обмоток трансформаторы можно разделить на два типа: такие, у которых первичная и вторичная обмотки (или их части) находятся на одном плече (рис. 37, а, в), и такие, у которых обмотки разнесены на разные плечи (рис. 37, б). При напряжении питания сети 220–240 В с незначительным сопротивлением в линии рекомендуются следующие формулы приближенного расчета витков первичной обмотки, которые при токах 120–180 А дают положительные результаты для многих типов сварочных трансформаторов.

Для первого типа (с обмотками на одном плече):

Для второго типа (с разнесенными обмотками):

где N₁ – примерное количество витков первичной обмотки, S_из – измеренное сечение магнитопровода (см²), I₂ – заданный сварочный ток вторичной обмотки (A), 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.

Эти формулы имеют весьма приближенный вид. У трансформаторов с особо несовершенными магнитопроводами показатели выходного тока получаются значительно ниже. Кроме того, существует много параметров, которые нельзя определить и учесть в полной мере. Обычно неизвестно, из какого сорта железа изготовлен тот или иной магнитопровод. Напряжение в электросети может сильно изменяться (190–250 В). Еще хуже, если линия электропередачи обладает значительным собственным сопротивлением.

Составляя всего единицы Ом, оно практически не влияет на показания вольтметра, обладающего большим внутренним сопротивлением, но может сильно гасить мощность сварки. Учитывая всё вышеизложенное, рекомендуется первичную обмотку трансформатора выполнять с несколькими отводами через 20–40 витков (рис. 38). 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:

где U2 – желаемое напряжение холостого хода на выходе вторичной обмотки (42–70 В), U1 – напряжение сети.

Рис. 38. Электрическая схема СТ со ступенчатой регулировкой тока