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

Все вышеприведенные методики позволяют рассчитать требуемое сечение магнитопровода, но не дают ответа на вопрос, каким именно выбрать это сечение. Например, оптимальное значение сечения магнитопровода для типичного сварочного трансформатора мы получили ранее в примере расчета по стандартной методике (160 А, 26 см²). Однако далеко не всегда оптимальные с точки зрения энергетических показателей значения являются таковыми, а то и возможными вообще, с точки зрения конструктивных и экономических соображений.

Например, трансформатор одной и той же мощности может иметь сечения магнитопровода от 30 до 60 см². При этом количество витков обмоток будет различаться тоже примерно в два раза: для 30 см² придется мотать в два раза больше провода, чем для 60 см². Если у магнитопровода небольшое окно, вы рискуете тем, что все витки попросту не влезут в его объем или придется использовать очень тонкий провод. В этом случае необходимо увеличить сечение магнитопровода с целью уменьшения количества витков провода, что актуально для многих самодельных трансформаторов. Вторая причина – экономическая. Если обмоточный провод в дефиците, то, учитывая его немалую стоимость, этот материал придется максимально экономить и, если есть возможность, наращивать магнитопровод до большего сечения. Но, с другой стороны, магнитопровод – самая тяжелая часть трансформатора. Лишняя площадь его сечения – лишний и притом весьма ощутимый вес.

В любом случае сечение меньше чем 25–30 см² не рекомендуется, поскольку сварочный аппарат не будет обладать требуемым запасом мощности и качественную сварку получить будет трудно. Да и перегрев такого аппарата после непродолжительной работы также неизбежен. Нежелательны также сечения выше 60 см². Оптимальными считаются сечения сердечника S = 45–55 см². Такой агрегат несколько тяжеловат, зато не подведет.

При решении использовать в качестве сварочного трансформатор с неизвестными характеристиками последние приходится каким-то образом выяснить. В некоторых случаях о выходной мощности трансформатора можно судить по току первичной обмотки в режиме холостого хода. Вернее, здесь можно говорить не о количественной оценке мощности в режиме сварки, а о настройке трансформатора на максимальную мощность, на которую способна конкретная конструкция. Или же речь идет о контроле количества витков первичной обмотки, чтобы не допустить их недостатка в процессе изготовления. Для этого понадобится некоторое оборудование: ЛATP (лабораторный автотрансформатор), амперметр и вольтметр.

В общем случае по току холостого тока нельзя судить о мощности: ток может быть разным даже для одинаковых типов трансформаторов. Однако, исследовав зависимость тока по первичной обмотке в режиме холостого хода, можно более уверенно судить о свойствах трансформатора. Для этого первичную обмотку трансформатора надо подключить через ЛATP, что позволит плавно менять напряжение на ней от 0 до 250 В. В цепь также должен быть включен амперметр. Постепенно увеличивая напряжение на обмотке, можно получить зависимость тока от питающего напряжения. Она будет иметь вид, показанный на рис. 39.

Рис. 39. Исследование характеристик неизвестного трансформатора

Сначала кривая тока полого, почти линейно возрастает до небольшого значения, далее скорость возрастания увеличивается – кривая загибается вверх, после чего следует стремительное увеличение тока. В случае, когда устремление кривой к бесконечности происходит до точки рабочего напряжения 240 В (кривая 1), это значит, что первичная обмотка содержит мало витков и ее необходимо домотать. Учтите, что трансформатор, включенный на то же напряжение без ЛATPa, будет брать ток примерно на 30 % больше.

Если же точка рабочего напряжения лежит на изгибе кривой, то при сварке трансформатор будет выдавать свою максимальную мощность (кривая 2, ток сварки до 200 А).

В случае кривых 3, 4 трансформатор будет иметь ресурс мощности, которую можно увеличить путем уменьшения витков первичной обмотки, и незначительный ток холостого хода: большинство самоделок ориентированы на это положение. Реально токи холостого хода различны для разных типов трансформаторов, в большинстве случаев находясь в интервале 100–500 мА.

Как отмечалось выше, мощность сварочного трансформатора существенно зависит от расположения обмоток. У трансформаторов, первичная и вторичная обмотки которых размещены на плечах вместе, мощность значительно выше, чем в случае, когда обмотки разнесены на разные плечи. Например, сварочный трансформатор с П-образным магнитопроводом (N1 = 260 витков провода ∅2,4 мм, Sиз = 34,5 см², 15,4 × 18 см, 47 В) и разнесенными обмотками (рис. 37, б) развивает ток, достаточный для работы электрода ∅3 мм – около 100–110 А. Трансформатор, изготовленный на том же магнитопроводе, но с цилиндрическими обмотками, по половине которых располагаются на одном плече, станет в дуговом режиме выдавать ток порядка 160 А.

Расположение обмоток влияет не только на мощность, но и на некоторые другие характеристики трансформатора. Особенно сильно изменяется отношение тока сварки к току короткого замыкания. У сварочных трансформаторов с разнесенными обмотками это отношение очень низкое – не более чем 1,1–1,2, т. е. ток короткого замыкания мало отличается от рабочего сварочного тока. Дуга при работе с таким аппаратом горит очень мягко. С точки зрения промышленных технологий низкое отношение значений токов является очень хорошим показателем. Но при этом предполагается, что сварка ведется по ровной, тщательно подготовленной поверхности длинными швами при четко установленном токе и длине дуги. Невысокий ток короткого замыкания уменьшает риск прожечь металл, особенно при работе с электродами небольшого диаметра и изящными изделиями из тонкой стали. В быту же все обстоит несколько иначе: часто приходится варить ржавый грубый металл с рваными краями на предельном для электрода токе или резать металл. В таких режимах трансформаторы с малым отношением токов ведут себя неудовлетворительно. Дело в том, что при сварке очень короткой дугой на относительно небольшом токе расплавленный металл заливает дуговой промежуток и трансформатор переходит в режим короткого замыкания. При КЗ ток возрастает, выдувая расплавленный металл, и процесс горения дуги восстанавливается. Если же ток короткого замыкания низкий, то дуга гаснет и электрод залипает. Такое возможно при сварке пониженным током на рваной поверхности, когда отдельные выступы могут приближаться к концу электрода и замыкать его, а также при резке металла. Как показывает практика, особенно низким отношением характеризуются именно трансформаторы П-образной конфигурации c разнесенными обмотками, расстояние между которыми в данном случае особенно велико.

Поэтому перед намоткой провода на каркас следует определиться, какой именно режим работы для вас предпочтителен. От этого зависит способ, которым вы будете наматывать обмотки СТ.

Если нужно получить более жесткий режим сварки, первичная (сетевая) обмотка состоит из двух одинаковых обмоток W₁ и W₂, расположенных на разных сторонах сердечника, соединенных последовательно и имеющих одинаковое сечение проводов. Для регулировки выходного тока на каждой из обмоток сделаны отводы, которые попарно замыкаются (рис. 40, а – б).

Второй способ предусматривает намотку сетевой обмотки на одной из сторон сердечника (рис. 40, в – г). В этом случае СТ обладает крутопадающей характеристикой, варит «мягко», длина дуги меньше влияет на величину сварочного тока, а следовательно, и на качество сварки.

Рис. 40. Способы намотки обмоток на сердечнике стержневого типа:

а – сетевая обмотка на двух сторонах сердечника; б – соответствующая ей вторичная (сварочная) обмотка, включенная встречно-параллельно; в – сетевая обмотка на одной стороне сердечника; г – соответствующая ей вторичная обмотка, включенная последовательно

Вторичную обмотку СТ всегда наматывают на двух сторонах сердечника. Для первого способа намотки вторичная обмотка состоит из двух одинаковых половин, включенных для повышения устойчивости горения дуги встречно-параллельно. Сечение провода в таком случае можно взять несколько меньшим (15–20 мм²).

Для второго способа намотки основную сварочную обмотку W¹₂ наматывают на свободной от первичной обмотки стороне сердечника, и это составляет 60–65 % от общего числа витков вторичной обмотки. Она служит в основном для поджига дуги, а во время сварки, за счет резкого увеличения магнитного потока рассеивания, напряжение на ней падает на 80–90 %. Дополнительную сварочную обмотку W²₂ наматывают поверх первичной. Являясь силовой, она поддерживает в требуемых пределах напряжение сварки, а следовательно, и сварочный ток. Напряжение на ней падает в режиме сварки на 20–25 % относительно напряжения холостого хода.

Рис. 41. Способы намотки обмоток на сердечнике тороидального типа:

а – равномерная; б – секционная

Эти же способы полностью применимы и в случае, когда обмотки СТ размещены на тороидальном магнитопроводе (рис. 41, а – б). Они тоже могут быть намотаны как равномерно по поверхности сердечника, так и в виде секций. Взаимное расположение обмоток и в этом случае полностью соответствует вышеописанным характеристикам, поэтому при выборе способа намотки тороидального трансформатора следует руководствоваться теми же соображениями, что и для П-образного.

 Общие правила намотки обмоток

1. Намотку следует проводить по изолированному керну и всегда в одном направлении (например, по часовой стрелке).

2. Каждый слой обмотки изолируют слоем хлопчатобумажной изоляции (стеклоткани, электрокартона, кальки), желательно с пропиткой бакелитовым лаком.

3. Выводы обмоток залуживают, маркируют, закрепляют хлопчатобумажной тесьмой, на выводы сетевой обмотки дополнительно надевают хлопчатобумажный кембрик.

Для обмоток сварочного трансформатора нужен провод довольно большого сечения. Развивая в режиме сварки значительный ток, трансформатор постепенно нагревается. Скорость нагрева зависит от ряда факторов, важнейшим из которых является диаметр или площадь поперечного сечения провода его обмоток. Чем толще провод, тем лучше он пропускает ток, тем меньше нагревается и, наконец, тем лучше он рассеивает тепло. Основной характеристикой здесь является плотность тока: чем выше значение плотности тока в проводах, тем интенсивнее будет происходить разогрев трансформатора. Наиболее распространенным материалом для провода является медь, хотя обмоточный провод может быть и алюминиевым. Обмотки из меди получаются компактнее, так как этот металл позволяет использовать в 1,6 раза большую плотность тока, нежели алюминий. Зато алюминиевый провод дешевле, и обмотки из него получаются легче.

В промышленных трансформаторах плотность тока не превышает значения 5 А/мм² для медного провода. Но для самодельных трансформаторов удовлетворительным результатом можно считать для меди даже 10 А/мм². Так, при токе сварки 130–160 А электродом ∅4 мм мощность вторичной обмотки составит Р2 = Ісв· Uсв = 160 · 24 = ~4 кВт; мощность первичной обмотки с учетом потерь составит 5–5,5 кВт, а следовательно, максимальный ток первичной обмотки может достигать 25 А.

С увеличением плотности тока резко ускоряется нагрев трансформатора. В случае работы в предельных режимах уже после использования подряд 2–3 электродов трансформатор нагреется до температуры 60 °C или даже выше, придется прекратить работу и ждать, пока обмотки остынут. Время перерыва на охлаждение будет зависеть от того, как организовано охлаждение и насколько хорош теплоотвод из катушек.

Сечение провода должно быть не менее 5–6 мм². Оптимальным считается провод сечением 6–7 мм². Это либо прямоугольная шина, либо медный обмоточный провод диаметром (без изоляции) 2,6–3 мм[21]21
  Расчет по известной формуле S = πR², где S – площадь круга, мм; π = 3,1428; R – радиус круга, мм.


[Закрыть].

При недостаточном сечении возможна намотка в два провода. При использовании алюминиевого провода его сечение необходимо увеличить в 1,6–1,7 раза.

Типовая первичная обмотка любительских СТ содержит 240 витков с отводами от 165, 190 и 215 витков, т. е. через каждые 25 витков. Большее количество отводов сетевой обмотки, как показывает практика, нецелесообразно. Поскольку за счет уменьшения числа витков первичной обмотки увеличивается как мощность СТ, так и напряжение холостого хода (U_xx), это приводит к повышению напряжения горения дуги и ухудшению качества сварки. Следовательно, только изменением числа витков первичной обмотки добиться перекрытия диапазона сварочных токов без ухудшения качества сварки нельзя. Для этого необходимо предусмотреть переключение витков вторичной (сварочной) обмотки.

Помимо сечения и металла, из которого изготовлен провод, важной характеристикой является способ его изоляции. Провод может быть просто покрыт лаком, умотан в один или два слоя нитки или ткани, которые, в свою очередь, могут быть пропитаны или нет лаком. От типа изоляции сильно зависит надежность обмотки, ее максимальная температура перегрева, влагостойкость, изоляционные качества. Наилучшим вариантом является изоляция из стеклоткани, пропитанной теплостойким лаком. Наименее желательным, но самым доступным материалом являются обычные провода ПЭЛ, ПЭВ в простой лаковой изоляции. Зато такой провод наиболее распространен: его можно снять с катушек дросселей и трансформаторов отслужившего свой век оборудования. Осторожно снимая старые провода с катушек, необходимо следить за состоянием их покрытия и слегка поврежденные участки дополнительно изолировать. Хуже, когда катушки с проводом были дополнительно пропитаны лаком или закрашены. При попытке рассоединения слоев затвердевшая пропитка часто срывает и собственное лаковое покрытие провода, оголяя металл. В редких случаях при отсутствии других материалов обмотки наматывают даже монтажным проводом в хлорвиниловой изоляции. Главные недостатки таких обмоток – лишний объем изоляции и плохой теплоотвод.

Качеству укладки первичной обмотки СТ всегда следует уделять наибольшее внимание. Первичная обмотка содержит большее количество витков, чем вторичная, плотность ее намотки выше, и больше греется обычно именно она. «Первичка» находится под высоким напряжением, при ее межвитковом замыкании или пробое изоляции, например через попавшую влагу, вся обмотка быстро «сгорает». Как правило, восстановить ее без разборки всей конструкции невозможно.

Таким образом, лучшим выбором для первичных (сетевых) обмоток является специальный медный обмоточный провод в хлопчатобумажной (стеклотканевой) изоляции. Удовлетворительной теплостойкостью обладают также провода в резиновой или резинотканевой изоляции. Непригодны для работы при повышенной температуре (а это уже закладывается в конструкцию любительского СТ) провода в полихлорвиниловой (ПХВ) изоляции из-за возможного ее расплавления, вытекания из обмоток и короткого замыкания. Поэтому необходимо либо снять полихлорвиниловую изоляцию с проводов и обмотать провода по всей длине хлопчатобумажной изоляционной лентой, либо не снимать, а обмотать провод поверх изоляции.

Возможен и третий проверенный на практике способ намотки. В случае любых сомнений в качестве изоляции намотку можно проводить как бы в два провода с использованием хлопчатобумажного шнура (отличные результаты дает хлопчатобумажная нить для рыболовства). После намотки одного слоя обмотку с нитью фиксируют клеем, лаком и т. д. и следующий ряд наматывают только после высыхания намотанного слоя.

Вторичную обмотку мотают единым или многожильным проводом, сечение которого обеспечивает необходимую плотность тока. Существует несколько способов решения этой проблемы.

Первый способ предполагает использование монолитного провода прямоугольного сечения 10–24 мм² из меди или алюминия, обычно называемого шиной. Им удобно мотать катушки на отдельном каркасе, куда после завершения укладки обмотки набивается пакет трансформаторной стали. Однако во многих самодельных конструкциях с неразборным магнитопроводом провод обмоток приходится много раз протягивать через узкие окна. Разумеется, проделать это примерно 60 раз с твердым и толстым медным проводом весьма непросто. В этом случае лучше отдать предпочтение алюминиевым проводам – они намного мягче, да и стоят дешевле. Если выбран прямоугольный алюминиевый провод в бумажной изоляции, то следует ее удалить и намотать новую с помощью эскапоновой, стеклослюдяной или, в крайнем случае, тафтяной или киперной ленты. В двух последних случаях ленты необходимо пропитать лаком или краской. Не исключается и возможность намотки проводом с неудаленной бумажной изоляцией, но каждый слой этой катушки необходимо тщательно покрасить нитроэмалевой краской или лаком воздушной сушки.

Второй способ – намотать вторичную обмотку многожильным проводом подходящего сечения в обычной хлорвиниловой изоляции. Он мягкий, легко укладывается, надежно изолирован. Правда, слой синтетики занимает лишний объем в окнах и препятствует охлаждению. Иногда для этих целей используют старые многожильные провода в толстой резиновой изоляции, которые используются в мощных трехфазных кабелях. Резину легко удалить, а вместо нее обмотать провод слоем какого-нибудь тонкого изоляционного материала. Третьим способом можно изготовить вторичную обмотку из нескольких одножильных проводов, в том числе таких, которыми моталась первичная обмотка. Для этого 2–5 проводов диаметром 1,6–3 мм аккуратно стягивают вместе, например, скотчем и используют как один многожильный. Такая шина из нескольких проводов занимает небольшой объем и обладает достаточной гибкостью, что облегчает ее укладку.

В крайнем случае вторичную обмотку можно изготовить и из тонких, наиболее распространенных проводов ПЭВ, ПЭЛ диаметром 0,8–1,2 мм, хотя для этого и придется потратить час-другой. Для начала нужно выбрать ровное прямое пространство, где жестко устанавливают два колышка или крючка с расстоянием между ними, равным длине провода вторичной обмотки (20–30 м). Между ними протягивается без прогиба несколько десятков жил тонкого провода – получается один вытянутый пучок. Один из концов пучка отсоединяется от опоры и зажимается в патрон дрели или шуруповерта. На небольших оборотах весь пучок в слегка натянутом состоянии за несколько приемов закручивается в единый жгут. В процессе закручивания пучок проводов необходимо периодически встряхивать, держа за один конец, чтобы закрутка равномерно разошлась по всей длине провода.

Следует учитывать, что после скручивания его длина немного уменьшится. На концах получившегося многожильного провода нужно будет аккуратно обжечь лак и зачистить кончики каждого проводка отдельно, а потом их залудить и надежно спаять все вместе. После этого провод желательно изолировать, обмотав его по всей длине слоем скотча или любого другого подходящего изоляционного материала.

Каким бы проводом ни была выполнена сварочная обмотка и сколько бы она ни содержала отводов, все ее выводы следует завести через медные наконечники под клеммные болты диаметром 8—10 мм (рис. 42). Медные наконечники изготавливают из медных трубок подходящего диаметра длиной 25–30 мм и крепят на проводах опрессовкой и, желательно, пропайкой.

Типовая вторичная обмотка содержит 65–70 витков медной изолированной шины сечением не менее 25 мм² (лучше сечением 35 мм²). Вполне подойдет и гибкий многожильный провод (например, сварочный) и трехфазный силовой многожильный кабель. Главное: сечение силовой обмотки не должно быть меньше требуемого, а изоляция – теплостойкой и надежной. При недостаточном сечении провода возможна намотка в два и даже в три провода.

Особое внимание следует уделить выбору изоляции. Для укладки обмоток, крепления провода, межрядовой изоляции, изоляции и крепления магнитопровода нужен тонкий, крепкий и теплостойкий материал. При этом объем окон магнитопровода, в которые необходимо укладывать несколько обмоток толстыми проводами, очень ограничен, поэтому здесь дорог каждый миллиметр. При малых размерах сердечников изоляционные материалы должны занимать как можно меньший объем, т. е. быть как можно тоньше и эластичнее. Распространенную ПХВ-изоленту можно сразу же исключить из применения на греющихся участках трансформатора. Даже при незначительном перегреве она становится мягкой и постепенно расползается или продавливается проводами, а при значительном перегреве плавится и пенится. Для изоляции и бандажа можно использовать фторопластовые, стекло– и лакотканевые, киперные ленты, а между рядами – обычный скотч. Хороший изоляционный материал стоит дорого, и его применение может сильно удорожить изготовление сварочного трансформатора. Скотч дешевый, обладает малой толщиной, эластичностью, достаточно теплоустойчив и крепок. Два-три слоя скотча между рядами провода практически не увеличивают объем катушек. Его использование вполне оправданно с учетом температуры и экономии средств. Особенно хорошо подходил для этих целей скотч отечественного производства прошлых лет – не очень прозрачный, грубый и крепкий. Правда, найти его сейчас сложно, и предпочтение следует отдавать по возможности более жесткому материалу, который не тянется и легко не рвется.

Рис. 42. Крепление выводов сварочной обмотки:

1 – корпус СТ; 2 – шайбы; 3 – клеммный болт; 4 – гайка; 5 – медный наконечник с проводом