Самодельные сварочные аппараты, полуавтоматы, схемы

Отличия от инверторного аппарата

Такое оборудование отличается от трансформаторного следующими характеристиками:

1. Небольшой вес. Если масса трансформатора составляет около 35 кг, то у инвертора она не превышает 15 кг. Это помогает легко перемещать аппарат во время работы.
2. Отсутствие трансформатора в конструкции. Это исключает расход энергии на нагрев обмоток и перемагничивание магнитопровода. Коэффициент полезного действия увеличивается. При использовании электрода диаметром 3 мм расход энергии не превышает 4 кВт. При тех же условиях этот параметр у трансформатора составляет 7 кВт.
3. Возможность получения тока с любыми вольт-амперными показателями. Аппараты инверторного типа применяют при сварке всех металлов. Они работают с нержавеющей, легированной сталью, медью, алюминием.
4. Режимы функционирования. Инвертор не требует частых перерывов, необходимых для охлаждения.
5. Возможность тонкой настройки. Сварщик выбирает показатели силы тока и напряжения в широком диапазоне. С помощью инвертора можно варить в разных пространственных положениях. При этом образуется наименьшее количество брызг расплавленного металла.

Устройство пускового механизма

Пусковое устройство включает в свой состав – магнитопровод, две обмотки и клеммы. Переключатели изменяют напряжение и общее число обмоток подключаемых к выпрямителю. В первичную цепь устанавливают регулятор, собранный на основе полупроводников (тиристоров). Вторая обмотка, подключаемая к выпрямительному мосту, обеспечивает подачу двух уровней изменяемого напряжения.

Устройство пускового механизма трансформатора

Для работы пускового устройства требуется напряжение в 220 В. Ток лежит в диапазоне от 0 до 120 А, а напряжение достигает 70 В случае самостоятельного изготовления устройства, за основу принимают стержневой трансформатор, на его первой обмотке накручено 230 витков, на второй 32. Пульт управления полупроводниками монтируют над дросселем. Для охлаждения всей системы используют принудительную вентиляцию.

Устройство магнитопровода

Ключевыми деталями магнитопровода, являются пластинки или листы, произведенные из электромагнитной стали. К конструктивным деталям относят крепеж, корпус и пр. Магнитопроводы сварочных трансформаторов разделяют на стержневые и броневые. В устройствах стержневого типа все сегменты магнитной цепи обладают одинаковым сечением. В магнитопроводах броневого типа полным сечением обладает только средний стержень, на который устанавливают обмотки.

Виды магнитопроводов трансформатора

Сечения остальных участков магнитной цепи почти в два раза меньше. По ним происходит замыкание магнитного потока. На участках магнитопровода имеющего Т-образную форму, каждый имеет свое сечение. При этом его размер составляет в три раза меньший размер, чем собственно сам стержень. По каждому из участков происходит замыкание третьей части потока. Пластины, входящие в пакеты покрывают специальным составом, который называют оксидной изоляцией. Принцип работы сварочного трансформатора Аппаратура для сварки работает по алгоритму:

1. Питание подается на первую обмотку. В ней генерируется магнитный поток, замыкающийся на сердечнике.
2. Затем питание направляется на вторую обмотку.
3. Магнитопровод, который собран из ферромагнитов, генерирует постоянное магнитное поле. Индуцирующий поток производит ЭДС.
4. Разность в числе витков допускает колебание тока с требуемыми для выполнения сварки параметрами. Эти же показатели учитывают при расчетах аппаратуры для сварки.

Существует связь числа витков на второй катушке и напряжением на выходе. То есть для повышения тока количество витков необходимо увеличить. Но так как, сварочный трансформатор – это понижающий тип, то число витков на второй обмотке будет ниже, чем на первой. Устройство и принцип действия сварочного трансформатора обеспечивает настройку величины тока. Этого достигают уменьшая или увеличивая пространство между катушками. Для этого в сварочном оборудовании установлены движущиеся компоненты. Расстояние между обмотками изменяет сопротивление и это дает возможность выбирать именно тот ток, который нужен для сварки.

Холостой ход

Аппаратура для сварки работает в двух режимах – рабочем и холостом. Во время сварки вторая обмотка замыкается между рабочим инструментом и деталью. Ток расплавляет кромки заготовок и в результате получается надежное соединение деталей. После того, как сварщик закончит работы, цепь прерывается и трансформатор переключается на холостой ход. ЭДС в первой обмотке появляются из-за наличия:

• магнитного потока;
• его рассеивания.

Холостой ход трансформатора

Эти силы отпочковываются от направления потока в магнитопроводе и замыкаются между катушками в воздухе. Именно эти силы и являются основой работы в холостую. Работа на холостом ходу не должна представлять опасность для рабочего — сварщика и окружающих людей. То есть оно не должно быть больше чем 46 В. Но отдельные модели сварочного оборудования, имеют большие значения, например, 60 – 70 В. В этом случае в конструкции сварочного устройства устанавливают ограничитель параметров холостого хода. Скорость его срабатывания не превышает одну секунду с момента разрыва цепи и окончания работы. В целях дополнительной защиты сварщика, корпус трансформатора необходимо заземлять.

Это позволяет напряжению, которое может появиться на корпусе в результате повреждения изоляции, уйти в землю, не нанеся ни какого вреда рабочему – сварщику.

Конструкция сварочного трансформатора

Такой аппарат включает несколько узлов, которые создают электрическую дугу, способную расплавлять сталь. Компоненты изменяют параметры токов, поступающих от сети.

Агрегат понижает напряжение, увеличивая ампераж.

Сварка металлов становится возможной благодаря узлам, входящим в конструкцию аппарата:

• магнитопроводу;
• первичной обмотке из изолированного кабеля;
• винту;
• подвижной вторичной обмотке из неизолированного провода;
• ходовой гайке;
• рукоятке, вращающей винт;
• зажимам для фиксации кабелей;
• охлаждающей системе.

Рекомендуем к прочтению Какими бывают сварочные приспособления

Магнитопровод не влияет на параметры тока, он лишь формирует магнитное поле. Для этого применяется набор стальных пластин, покрытых оксидным составом. Некоторые трансформаторы включают дополнительные компоненты, улучшающие работу оборудования.

Сварочные выпрямители

Аппаратура, которое преобразует переменное напряжение, поступающее из сети питания в постоянное, необходимое для выполнения электросварочных работ. На практике применяют несколько схем выпрямителей, в которых реализованы разные методы получения выходных параметров напряжения и тока. Применяют разные способы регулировки параметров тока и вольт-амперной характеристики.

Сварочные выпрямители

В эти способы входят: Изменение настроек трансформатора, применение дросселя, настройка с помощью полупроводников (тиристоров и транзисторов). В самых простых аппаратах для регулирования тока применяют трансформатор, а для его выпрямления диодные схемы. В силовую часть такого оборудования входят трансформатор, выпрямитель, дроссель.

Достоинства и недостатки сварочных выпрямителей

Главное достоинство выпрямителей, если сравнивать их с трансформаторами, заключено в том что, для сварки применяют постоянный ток. Это обеспечивает качество розжига и поддержания параметров дуги и это соответственно приводит к качеству сварного шва. Применение выпрямителя позволяет сваривать не только обыкновенные стали, но обрабатывать нержавейку и цветные металлы. Кроме того, надо учесть и то, что сваривание с применением выпрямителя обеспечивает малое количество брызг.

По сути, описанные достоинства дают однозначный ответ на вопрос – какой аппарат выбрать трансформатор или выпрямитель, но разумеется нельзя забывать и стоимости этого оборудования. Выпрямители имеют и отдельные недочеты – большой вес конструкции, потеря мощности, падение напряжения в сети во время проведения сварочных работ. Кстати, все сказанное в полной мере относится и к трансформаторам.

Разновидности и классификация устройств

Классификация сварочных агрегатов осуществляется по следующим характеристикам:

1. Размерам и весу. Приборы бывают компактными переносными или стационарными, перемещаемыми с помощью колес или тельфера (подвесного грузоподъемного устройства).
2. Напряжению холостого хода сварочного трансформатора. В разных моделях приборов этот параметр составляет от 48 до 70 В.
3. Максимальной силе тока. У промышленных моделей этот параметр достигает 1000 А, у бытовых – 50-400 А.
4. Напряжению потребляемого тока, числу фаз. Выделяют одно- или трехфазные виды.
5. Характеру подачи. Аппарат может вырабатывать ток непрерывно или импульсно.
6. Диаметру подключаемых электродов.

Принцип работы с характеристиками

Приборы для трансформаторной сварки функционируют следующим образом:

1. Ток из электрической сети попадает на первичную обмотку. Здесь появляется магнитный поток, направляющийся в сторону сердечника.
2. Напряжение передается на вторичную обмотку.
3. Ферромагнитный сердечник генерируют магнитное поле. В 2 обмотках образуются электродвижущие силы переменного характера.
4. Разница в числе витков катушек помогает менять параметры тока на необходимые для сварки вольт-амперные показатели. По этим значениям выполняют расчет характеристик трансформаторного агрегата.

Число витков обмотки напрямую связано с выдаваемым напряжением. Намотанная в большем количестве вторичная катушка повышает силу тока. Трансформаторный сварочный аппарат относится к приборам понижающего вида. Число витков первичной обмотки в нем больше, чем вторичной. Регулировать силу выходного тока можно, меняя величину зазора между катушками.

Холостой ход

Принцип работы сварочного трансформатора включает 2 режима: холостой и с нагрузкой. Во время сварки вторичная катушка создает замыкание между деталью и электродом. Мощная дуга плавит материал, образуя шов. После завершения сварки вторичная цепь разрывается. Аппарат начинает работать на холостом ходу.

Рекомендуем к прочтению Особенности настройки сварочной маски Хамелеон

Такой режим функционирования должен быть безопасным для пользователя. Максимальная величина напряжения – 48 В. Если показатель превышает допустимые значения, срабатывает автоматический ограничитель. Заземление корпуса агрегата обеспечивает дополнительную защиту сварщика от поражения током.

Текст книги «Сварочные работы. Электродуговая. Газовая. Холодная. Термитная. Контактная сварка»

Простой электронный регулятор сварочного тока

Принципиальная электрическая схема этого несложного устройства приведена на рис. 56. Основные его элементы – тиристоры VS1 и VS2 – включены встречно-параллельно друг другу. Они открываются поочередно импульсами тока, формируемыми транзисторами VT1 и VT2.

При включении регулятора в сеть оба тиристора закрыты, конденсаторы С1 и С2 начинают заряжаться через переменный резистор R7. Как только напряжение на одном из конденсаторов достигает величины лавинного пробоя транзистора, последний открывается и через него идет ток разряда соединенного с ним конденсатора. Это приводит к открытию соответствующего тиристора, который подключает сварочный аппарат к сети. После начала следующего, противоположного по знаку полупериода переменного тока тиристор закрывается и начинается новый цикл зарядки конденсаторов, но уже в обратной полярности. Теперь открывается второй транзистор, и второй тиристор снова подключает сварочный аппарат к сети. Изменением сопротивления переменного резистора R7 можно регулировать момент включения тиристоров в течение полупериода, что приведет к изменению сварочного тока.

Регулятор собирают на тиристорах, рассчитанных на прямой ток более 40 А и напряжение не менее 400 В, типа Т131-40-4, Т132-50-4, Т141-63-4 и др. Транзисторы VT1 и VT2 – маломощные, высокочастотные типа П416, П422—П423, ГТ 308, ГТ320, ГТ338. Конденсаторы – типа МБМ, К73 или другие аналогичные на напряжение не менее 40 В. Резисторы – типа МЛТ-0,5. Переменный резистор R7 ввиду гальванической связи сети с элементами регулятора должен быть с пластмассовой осью. Правильно собранный регулятор практически не требует налаживания. Для увеличения пределов и плавности регулирования сварочного тока значение переменного резистора рекомендуется установить опытным путем.

Рис. 56. Схема простого блока регулировки сварочного тока

Схему собирают в отдельном корпусе из изоляционного материала с вентиляционными отверстиями и включают в разрыв жилы сетевого провода СТ.

Необходимо помнить, что форма сварочного тока в устройствах с тиристорным регулированием отличается от синусоидальной и действующее значение тока, характеризующее тепловые потери в обмотках, регулирующем тиристоре, больше среднего значения сварочного тока. В общем случае это приводит к необходимости увеличивать сечение проводов обмоток трансформаторов, применять более мощные тиристоры и устанавливать их на радиаторы большей площади. Если же применять устройство с уже имеющимся трансформатором с недостаточным сечением проводов обмоток, необходимо строго выдерживать режим работы – повторно-кратковременный, особенно при работе на больших сварочных токах. Особенно быстро происходит нагрев в режиме резки металла, поэтому и «отдыхать» аппарат в этом случае должен чаще и дольше. Дополнительно увеличить продолжительность включения трансформатора можно, установив на его корпусе вентилятор принудительного охлаждения.

Недостатком данного регулятора является то, что зажигание сварочной дуги на малых токах требует на начальном этапе определенной сноровки. Однако этот недостаток не проявляется при работе на средних и больших токах. Поэтому можно рекомендовать зажигать дугу на больших или средних токах и, не прерывая ее горения, регулятором уменьшать сварочный ток до необходимого.
Сварочный трансформатор с электронной регулировкой тока
Этот трансформатор с питанием от однофазной сети переменного тока напряжением 220 В предназначен для электродуговой сварки изделий из конструкционных сталей электродами диаметром 2–5 мм. Электронный регулятор тока позволяет плавно изменять сварочный ток от 20 до 200 А, что дает возможность сваривать детали различной толщины. Одним из достоинств конструкции является отсутствие дорогих и дефицитных деталей.

Как следует из принципиальной электрической схемы (рис. 57), данное устройство состоит из собственно силового трансформатора Тр1, регулирующих тиристоров VS1 и VS2, включенных в цепь силовой обмотки II, и блока электронной регулировки, вырабатывающего управляющие импульсы. Дополнительная обмотка III стабилизирует горение дуги и позволяет улучшить процесс ее образования в начальный момент сварки. Обмотка IV питает блок электронной регулировки тока.

Трансформатор Тр1 изготовлен на основе статорного сердечника асинхронного двигателя переменного тока мощностью 15, 18,5 или 22 кВт. Его первичная обмотка I содержит 220 витков провода марки ПЭВ-2 (медного) или АПСО (алюминиевого) ∅2,5 мм. Провод наматывается равномерно по всему сечению магнитопровода.

Рис. 57. Принципиальная электрическая схема сварочного трансформатора

Если провода требуемого диаметра нет, обмотку можно выполнить двумя проводами, при этом их суммарное сечение должно составлять 5 мм2. Ток холостого хода первичной обмотки не должен превышать 0,3–0,5 А.

Вторичную обмотку II выполняют проводом сечением 35 мм2, она содержит 60 витков. В качестве провода может служить медная или алюминиевая шина с надежной изоляцией. Рядом с обмоткой II на магнитопроводе размещают обмотку III, которая содержит тоже 60 витков провода, но уже потоньше – марки ПЭВ-2 ∅2,5 мм. Обмотка IV содержит 40 витков провода марки ПЭВ-2 ∅0,7 мм с отводом от середины. При указанном ранее токе холостого хода на обмотках II и III должно быть напряжение 60 В, а на обмотке IV – 40 В.

В основе блока электронной регулировки тока лежит схема аналогичного устройства промышленного изготовления, а именно трансформатора ТС-200. Монтажная схема регулятора выполняется печатным или навесным способом, но в любом случае регулятор должен быть заключен в собственный надежный корпус.

Трансформатор Тр2 наматывают на магнитопроводе Ш16 с толщиной набора 16 мм. Его обмотка I содержит 140 витков провода марки ПЭВ-2 ∅0,5 мм, обмотка II – 70 витков провода ПЭВ-2 ∅0,1 мм, обмотки III и IV содержат по 90 витков провода ПЭВ-2 ∅0,5 мм.

Резисторы R1—R9 – типа МЛТ-0,5; R10, R11 – типа МЛТ-2; R12 – типа СП2—6А.

Конденсаторы С1 и СЗ – типа К-50-6; С2 и C4 – типа К73. Тиристоры VS1 и VS2 устанавливают на теплоотводах с площадью поверхности 1000 мм2 каждый.

Блок, собранный без ошибок и из исправных деталей, в наладке не нуждается.

Один из вариантов конструктивного оформления СТ представлен на рис. 58. Трансформатор Тр1 закреплен на круглом основании ∅400 мм из текстолита толщиной 10 мм или из фанеры толщиной 15 мм. Под трансформатор следует подложить два бруска из твердого дерева сечением 30 × 30 мм и длиной 350 мм для обеспечения циркуляции воздуха и улучшения охлаждения его при работе. К основанию трансформатор крепится стяжным болтом М12 соответствующей длины. На верхней пластине крепят радиаторы с тиристорами.

Рис. 58. Монтажная схема трансформатора:

1 – обмотка трансформатора; 2 – радиатор тиристора; 3 – тиристор; 4 – верхняя пластина; 5 – брусок; 6 – ручки для переноски; 7 – корпус блока регулировки; 8 – потенциометр (R12); 9 – клемма для подсоединения сварочного кабеля; 10 – крепежный болт; 11 – нижняя пластина; 12 – скоба для намотки сетевого кабеля; 13 – сетевой кабель

Основание имеет две ручки для переноски трансформатора, изготовленные из стальной трубы 1/2˝. К этим же ручкам прикреплены две текстолитовые пластины толщиной 6 мм. На одной из них установлен блок регулировки тока, потенциометр R12, а также закреплены клеммы для подсоединения сварочного кабеля (болты М12). На второй пластине установлены две скобы для намотки сетевого кабеля после окончания работы. Здесь же можно установить и автоматический выключатель, рассчитанный на ток не менее 25 А.

Трансформатор допускает следующий режим эксплуатации: работа – 1 ч, перерыв – 10 мин. Сварку производят электродами марки Э-5РА УОНИ-13/55-2,5 УД-1 требуемого диаметра.

Сварочные источники постоянного тока

Все рассмотренные ранее сварочные источники являются источниками переменного тока. Они довольно просты в изготовлении и надежны в эксплуатации. Однако использование постоянного тока позволяет во многих случаях улучшить качество сварки, что рассматривалось в первом разделе данной книги. Кроме того, некоторые типы электродов, например для нержавеющей стали, требуют только постоянный ток, а электроды, предназначенные для переменного тока, нормально работают и на постоянном токе. Даже надоедливого (и даже вредно действующего на людей) треска при сварке постоянным током нет. А все потому, что отсутствует главная, присущая сварочным аппаратам переменного тока особенность, – прерывистое горение дуги при перетекании синусоиды питающего напряжения через ноль.
Простые выпрямительные устройства
Сварочные аппараты постоянного тока

состоят из уже хорошо нам известного сварочного трансформатора и устройства, преобразующего переменный ток в постоянный. Причем переделан может быть любой СТ, поэтому их конструкции мы более рассматривать не будем. Займемся тем, что позволяет получить постоянный (а также регулируемый) сварочный ток.

Самый простой способ получить сварочный аппарат постоянного тока – подключить к выводам вторичной обмотки СТ мостовой выпрямитель (рис. 59).

Выпрямительный мост в любительских схемах чаще всего выполнен на основе мощных диодов типа Д161-200, Д161-320, В200. Эти диоды имеют внушительные размеры, а их корпус посажен на алюминиевые радиаторы. Причем корпус диода, а значит, и крупный радиатор находятся под напряжением, поэтому диоды с радиаторами должны крепиться так, чтобы не касаться токопроводящих частей корпуса аппарата. При этом должны использоваться две группы разнополярных диодов: одна пара с катодом на резьбовом выводе и пара, у которой на резьбовом выводе анод[23]23

В обозначениях силовых выпрямительных диодов, выпускающихся в соответствии с ГОСТ-20859, для маркировки диодов с обратной полярностью введен специальный символ «X». Например, Д161-200Х-8. Это расшифровывается так: диод силовой, выпрямительный, первой модификации, со штыревой конструкцией корпуса и гибким выводом, размер шестигранника под ключ 32 мм, максимальный выпрямленный ток 200 А, максимальное повторяющееся обратное напряжение 800 В, обратной полярности («—» – катодом является основание). Диод того же типа, но без символа «X» в маркировке: Д161-200-8 – то же, прямой полярности («+» – анодом является основание). Подавляющее большинство силовых выпрямительных диодов выпускают как в прямой, так и в обратной полярности.

[Закрыть]. Благодаря этой особенности пары радиаторов в каждой из двух групп диодов можно не изолировать друг от друга. Но радиаторы групп между собой ни в коем случае не должны иметь контакт. Как показано на рис. 60, пары радиаторов соединены между собой шпильками ∅8 мм. Резьбовые концы этих же шпилек одновременно являются выходными клеммами выпрямителя: «+» и «—». Между двумя группами радиаторов при сборке установлена изолирующая прокладка из резины толщиной 5 мм.

Рис. 59. Мостовой выпрямитель в составе простого сварочного аппарата:

SA1 – сетевой выключатель питания; FU1 – предохранитель 10–16 А; Т1 – сварочный трансформатор; U2 – выходное переменное напряжение сварочного трансформатора; VD1—VD4 – выпрямительный мост (диоды В200, ВД161 и т. п.)

После монтажа на корпус СП верхнюю часть выпрямителя – гибкие выводы диодов – лучше закрыть П-образной крышкой. Однако такой выпрямитель можно собрать и как самостоятельное изделие, подключая к трансформатору лишь тогда, когда нужна сварка постоянным током. Тогда его следует заключить в собственный корпус. Весит такой выпрямитель не более 5 кг.

Если ваш сварочный аппарат не развивает высокую мощность и сварочные работы планируются от случая к случаю, покупать мощные, тяжелые и дорогие диоды не обязательно. Можно приобрести интегрированные в одном корпусе диодные мосты импортного производства. Размер одного такого интегрального выпрямителя сопоставим с размерами спичечного коробка или одного диода В-200 без радиатора. Он выдерживает максимальный ток 30–50 А. Если такие мосты соединить параллельно (рис. 61), то вместе они смогут выдерживать более значительные токи. Строго говоря, суммарный ток объединенного выпрямителя не равняется сумме максимальных токов входящих в него диодных мостов. Ведь они не могут обладать абсолютно одинаковыми параметрами, а значит, каждый пропускает через себя различающиеся по величине токи. Поэтому не исключен пробой диодов сборки при ударном импульсе тока, возникающем при зажигании дуги.

Рис. 60. Конструкция выпрямительного блока:

1 – выводы переменного напряжения; 2 – плита (фанера или текстолит S = 10 мм); 3 – диоды; 4 – охлаждающие радиаторы; 5 – изолирующая прокладка (резина, S = 5 мм); 6 – стягивающие шпильки М8 (выводы постоянного напряжения)

Однако если собрать эту схему с некоторым запасом по мощности, учитывая ток короткого замыкания, то можно добиться не только существенной экономии, но и более компактных размеров, чем в случае с В-200 и другими мощными диодами. Дело в том, что корпуса диодных мостиков не находятся под напряжением. Их можно прикрепить к одному общему радиатору и разместить в любом удобном месте внутри корпуса сварочного аппарата.

Для такого составного выпрямителя обычно используют 4–6 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. Например, соединив параллельно шесть диодных сборок KBPC5010, каждая из которых рассчитана на ток 50 А, получаем один диодный мост, рассчитанный на ток 300 А. Для охлаждения подойдет алюминиевый радиатор площадью примерно 800 см2, на которой равномерно размещают сборки и закрепляют болтами М6, под которые в центре корпуса имеются отверстия.

Для улучшения теплоотдачи желательно использовать теплопроводную пасту КПТ-8. После этого схему распаивают медной шиной сечением 10 мм2, а для подключения всего выпрямителя к источнику тока и для выхода сварочного тока – 20 мм2. Не забудьте обработать все места пайки лаком.

Рис. 61. Схема составного выпрямительного моста из четырех диодных сборок

Радиатор такого диодного моста при токе сварки 100 А в интенсивном режиме (непрерывная работа электродом ∅3 мм в течение 10 мин) должен нагреваться до температуры не выше 50–60 °C.

Если же планируется использовать более мощные токи, можно увеличить количество сборок. Кроме того, выпрямителю не повредит обдув вентилятором. Если принудительное охлаждение применяется для СТ, то имеет смысл разместить радиатор выпрямителя так, чтобы он тоже находился в потоке воздуха.

Обязательно припаивайте шины к выводам диодных мостов. Если вы соедините мосты только с помощью клемм, то концы выводов мостов будут очень сильно греться.

Сразу следует оговорить, что оснащение СТ диодным мостом еще не позволяет считать сварочный аппарат завершенным. Дело в том, что на диодных мостах происходит неизбежное падение напряжения, поэтому на выходе источника питания постоянного тока напряжение будет где-то на 4–5 В меньше, чем напряжение холостого хода трансформатора. При этом напряжение на выходе не будет строго постоянным – его форма будет пульсирующей (рис. 62, б), а эффективное значение постоянного пульсирующего напряжения в √2 раз меньше напряжения пиков максимумов амплитуды переменного тока. Из-за этого на вторичной обмотке приходилось бы поддерживать заведомо завышенное напряжение, доходящее до 80 В[24]24

Напряжение на выходе сварочного источника не должно превышать 80 В по требованиям электробезопасности согласно ГОСТ 95-77Е.

[Закрыть], хотя для поддержки горения дуги и наплавления металла в зоне сварки достаточно 25–36 В. Разумеется, лишние вольты отразились бы в виде непомерно большой массы и габаритов СА, повышенного расходования электроэнергии. Снизив же напряжение, трансформируемое во вторичную цепь, до 36 В, можно в 5–6 раз облегчить вес устройства и уменьшить его размеры до приемлемых для переноски с одновременным улучшением остальных эксплуатационных характеристик. Но как при низковольтной обмотке зажечь дугу?

Для сглаживания пульсаций напряжения один из выводов выпрямителя подсоединяют к держателю электродов через дроссель (рис. 62, г[25]25

Здесь показано подключение СА для сварки тонколистового металла на «обратной» полярности: «+» на электроде, «—» – на свариваемой детали.

[Закрыть]). Он представляет собой катушку из 10–15 витков медной шины сечением 25–35 мм2, намотанной на любом сердечнике, например от магнитного пускателя.

Но кардинальным решением проблемы стал ввод конденсатора большой емкости во вторичную цепь диодного моста. В результате напряжение на выходе увеличивается почти в 1,5 раза, а характеристика СА также получается крутопадающей (рис. 62, в).

Рис. 62. Сглаживание пульсаций выпрямленного тока:

а – переменный ток на выходе СТ; б – пульсирующее напряжение после диодного моста; в – крутопадающая характеристика СА при сглаживании пульсаций конденсатором; г – сглаживание пульсаций дросселем; д – сглаживание пульсаций конденсатором

Создаваемое конденсатором начальное повышенное напряжение облегчает зажигание дуги. А когда потенциал на сварочном электроде упадет до напряжения вторичной обмотки трансформатора (рабочая точка «А»), возникнет процесс устойчивого горения дуги с наплавлением металла в зоне сварки. Чтобы создать такое «энергетическое чудо», требуется конденсатор емкостью 5000—10 000 мкф. В этом случае он на холостом ходу будет заряжаться до уровня максимального по амплитуде напряжения.

Особенно рекомендуется ставить конденсатор 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 0,5–1,5 Ом (рис. 62, д). Присутствие резистора обусловлено тем, что в момент зажигания дуги происходит касание конца электрода о металл изделия, т. е. короткое замыкание. Если сопротивления в цепи конденсатора нет, то происходит мгновенный разряд конденсатора большой емкости, импульс высокого тока сопровождается громким щелчком, а часто и разрушением кончика электрода или его мгновенным привариванием к металлу изделия. Работать с таким источником весьма неудобно, треск разрядов действует на нервы. Дополнительный же резистор ограничивает ток, сглаживает разряд конденсатора, делая зажигание дуги легче и мягче.
Выпрямитель с вольтдобавкой
И все же зажечь дугу при невысоком напряжении непросто. Для маломощного сварочного аппарата это самый тяжелый режим, так как происходит замыкание вторичной обмотки на короткое время до момента отведения электрода от детали. Проблему можно решить следующим способом: напряжение холостого хода заранее повышено устройством вольтдобавки, а после зажигания дуги оно уменьшается до оптимальных 30–40 В. Схема такого аппарата показана на рис. 63, а.

Сварочный трансформатор Т1 с диодным выпрямителем VD1—VD4 дополнен еще одной обмоткой III, выпрямителем VD5—VD8, дросселем L1 и переключательным диодом VD9. Обмотка III намотана на отдельном каркасе и расположена рядом с катушкой, содержащей сетевую и основную обмотки I и II соответственно.

Основная вторичная обмотка II рассчитана на напряжение 30–40 В и ток 100–120 А. Она обеспечивает рабочий сварочный ток в дуге. Дополнительная вторичная обмотка III рассчитана на напряжение 12–14 В при токе 10 А. Она-то и формирует напряжение вольтдобавки.

До момента касания электродом свариваемых деталей напряжение на нем равно сумме значений выпрямленного напряжения обеих обмоток, поскольку переключающий диод VD9 оказывается закрытым выходным напряжением моста VD5—VD8, а оба моста – включенными последовательно. Напряжение на электроде равно 42–54 В.

При касании электродом детали диод VD9 открывается, напряжение на нем уменьшается до 1,5 В, обеспечивая сварочный ток через зажженную дугу. Поскольку через диоды VD5—VD8 и дроссель L1 сварочный ток не протекает, для этого моста достаточно десятиамперных диодов, а дроссель можно намотать на любом магнитопроводе сечением 10–12 см2. Обмотку выполняют проводом ПЭВ-2 ∅1,6–1,8 мм до заполнения окна. При сборке магнитопровода необходимо предусмотреть немагнитный зазор между его частями, вложив прокладку из прессшпана толщиной 0,5–1 мм.

Вместо КД242Б можно использовать диоды Д305, Д214, КД213А, КД213В, КД2999А – КД2999В. Их надо установить на пластинчатые теплоотводы размерами 100 × 100 × 5 мм. Вместо ВК2-200 подойдут диоды Д161-250, Д161-320. Эти диоды лучше всего смонтировать на ребристые или игольчатые теплоотводы.

Конструктивно устройство вольтдобавки может быть выполнено и в виде приставки к СТ, переведенному на постоянный ток. Схема такой приставки показана на рис. 63, б. В ней использован сетевой трансформатор ТС-270 от старых ламповых телевизоров со своей «родной» сетевой обмоткой. Вторичную обмотку на 12 В при токе до 15 А надо намотать самостоятельно. Целесообразно предусмотреть у этой обмотки выводы на 13, 14 и 15 В для того, чтобы приставку можно было использовать и для других целей, в частности для зарядки аккумуляторных батарей. Переключающий диод VD5 входит в состав приставки. Дроссель L1 такой же, как указано выше.

Рис. 63. Схемы вольтдобавки для надежного зажигания сварочной дуги:

а – с дополнительной обмоткой СТ; б – приставка к СА постоянного тока; в – экономичная схема

Если еще немного изменить схему, можно уменьшить число необходимых диодов, а значит, и громоздких теплоотводов для них. Такой вариант показан на рис. 63, в. Работа этого узла аналогична работе описанного выше, разница лишь в том, что роль переключающих выполняют два диода VD1, VD3 выпрямительного моста аппарата. Они открываются поочередно на половину периода сетевого напряжения, когда дуга еще не зажжена, и закрыты, когда дуга горит.

Схемы модификаций

В конструкцию стандартного аппарата нередко вносят изменения, помогающие улучшить эксплуатационные характеристики.

С шунтом

Рассеиванию магнитного поля способствует смена пространственного положения компонентов магнитопровода.

При смещении стальных элементов повышается сопротивление потока, идущего по воздуху.

При полном введении шунта параметр начинает зависеть от расстояния между деталью и компонентами магнитопровода. Аппараты, имеющие такой принцип действия, предназначены для использования в промышленных условиях.

С обмоткой по секциям

Такая схема сварочного аппарата считается устаревшей. Ранее это оборудование использовалось в бытовых и промышленных условиях. Имеется несколько вариантов выбора числа витков в первичной и вторичной обмотках.

Тиристорные аппараты

Для изменения напряжения и силы тока применяется фазовый сдвиг тиристоров. При сборке однофазного аппарата используют 2 детали, устанавливаемые друг напротив друга. Тиристоры настраивают симметрично и синхронно.

В полупроводниковых трансформаторах эти элементы размещают на первичной обмотке, что объясняется следующими причинами:

1. Сила вторичного тока в таких устройствах выше, чем в тиристорах.
2. При установке последних на первичной катушке повышается КПД. Это объясняется снижением потерь напряжения.

Расчёт

Ранее уже говорилось о том, что трансформатор для сварки состоит из сердечника, первичной и вторичной обмотки. Именно эти узлы и определяют основные рабочие параметры прибора.

Необходимо заранее определиться с тем, какими должны быть напряжение на обмотках, номинальный ток и т.д. Основываясь на этих значениях следует провести расчет обмоток, сердечника и сечения провода.

В расчете необходимо использовать такие величины, как:

• напряжение сети, являющееся напряжением первичной обмотки U1;
• напряжение вторичной обмотки U2, величина которого не должна быть меньше восьмидесяти вольт;
• номинальная сила тока вторичной обмотки I, определяемая исходя из толщины металла и электродов, с которыми предстоит работать;
• сечение сердечника Sc, площадь которого определяет надежность прибора;
• площадь окна сердечника So выбирается исходя из расчета хорошего магнитного рассеяния, отвода избытка тепла и удобства намотки провода;
• плотность тока А/мм2 – важный параметр, определяющий электропотери в обмотках.

Чтобы лучше представлять специфику расчета параметров трансформатора, следует рассмотреть весь этот процесс на примере. Предположим, что известны следующие данные: U1=220 В, U2=60 В, I= 180 А, Sc=45 см2, Sо=100 см2, и плотность тока 3 А/мм2.

В первую очередь следует определить мощность: P = 1,5*Sс*So = 1,5*45*100 = 6750 Вт или 6,75 кВт.

Затем устанавливается необходимое количество витков в первичной и вторичной обмотке. Данное значение определяется из количества витков на один вольт: K = 50/Sс = 50/45 = 1,11; и максимальной силы тока на первичной обмотке: Imax = P/U = 6750/220 = 30,7 А.

После того, как будут получены значения данных параметров, можно определить количество витков на вторичной обмотке: W2 = U2*K = 60*1,11 = 67 витков.

Расчет витков в первичной обмотке рассчитывается по другой формуле, которая будет указана ниже.

Нередко в случае необходимости расчета тороидального трансформатора определяют ступени регулирования силы тока. Это необходимо для вывода провода на определенном витке. Определить такую характеристику можно по формуле : W1ст = (220*W2)/Uст.

Но для начала следует установить напряжение каждой ступени. Сделать это можно исходя из простого соотношения U=P/I.

Конструктивные особенности сварочного трансформатора.

Например, нужно сделать четыре ступени на 90, 100, 130 и 160 ампер. Мощность устройства составляет 6750 Ватт. Воспользовавшись приведенным соотношением, получим: 75, 67,5, 52, 42,2 вольт. Затем данные подставляются в выражение для ступеней.

В результате получим такие значения: 197, 219, 284, 350 витков. К последней величине следует добавить еще 5 процентов. В результате количество витков составит 385.

В конечном итоге нужно определить сечение провода на обмотках. Чтобы получить это значение необходимо максимальный ток обмотки разделить на плотность тока.

Приведенный выше расчет достаточно прост. Он не вызовет труда ни у одного мастера. Однако порой даже на такие простые вещи не хочется терять время. Также всегда существует вероятность того, что в каком-то действии может быть допущена машинальная описка или опечатка, что приведёт к серьезным последствиям.

Обезопасить себя и сберечь время поможет онлайн калькулятор, позволяющий произвести все описанные выше расчеты автоматически.

После того, как будут произведены все расчеты и при наличии схемы, можно приступать к сборке устройства. Сложной работу не назовешь, однако она потребует определённой усидчивости. Это связано с необходимостью четкого подсчета количества витков.

Выше уже говорилось о высокой популярности именно тороидального варианта устройства, однако далее будет рассмотрен случай трансформатора с П-образным сердечником. Данная модификация отличается большей простотой, именно поэтому она и выбрана.

В первую очередь необходимо изготовить каркасы для обмоток. В этих целях можно использовать текстолитовые плиты. Данный материал нетрудно найти, так как он широко применяется при создании плат. Из них собираем каркасы и изолируем их термостойкой изоляцией. Затем делаем обмотку.

После того, как будет уложен слой, его необходимо заизолировать и только после этого приступать к укладке следующего. По завершению данного процесса на концах отводов закрепляются медные болты.

После формирования обмотки собирается магнитопровод. В качестве материала используется железо, созданное специально в этих целях. Металл характеризуется определенными значениями магнитной индукции, и неправильная марка стали способна все испортить.

Металлические пластины для сердечника можно снять со старых устройств или приобрести по отдельности. Сами пластины имеют толщину около одного миллиметра, и сборка всего сердечника потребует лишь терпеливого соединения всех пластин в единое целое. По завершению следует проверить все обмотки тестером на предмет ошибок.

Высококачественный самодельный трансформатор может не получиться с первого раза. Виной этому могут быть различные ошибки связанные с неправильными расчетами и отсутствием практики сборки подобных устройств.

Если процесс расчета можно существенно упростить с помощью онлайн калькулятора, то опыт можно получить только методом проб и ошибок. Со временем, после нескольких попыток, создание высококачественного устройства своими руками уже не будет представлять особого труда.

Плюсы и минусы

К положительным качествам трансформаторного оборудования относятся:

1. Высокий коэффициент полезного действия, простота эксплуатации и обслуживания. Ремонт устройства не сопряжен с большими тратами, что позволяет использовать его в домашних условиях.
2. Низкая стоимость.

Из недостатков выделяют:

1. Нестабильность дуги. Это связано с параметрами переменного тока. Для работы с такими аппаратами используются специализированные электроды.
2. Перепады выходного напряжения, негативно отражающиеся на качестве сварного шва.
3. Невозможность применения для соединения деталей из цветных металлов или нержавеющей стали.
4. Габариты и большой вес, вызывающие трудности при перемещении.

Рекомендуем к прочтению Надёжный плазморез своими руками. Инструкция

Роль трансформатора в сварке

Сварочные трансформаторы переменного тока используются в ручной дуговой сварке с применением штучных электродов, в механизированной сварке с использованием флюса и в аргонодуговой для соединения деталей из алюминиевых сплавов.

Назначение сварочного трансформатора заключается в формировании необходимого для сварки значения напряжения, определенных постоянных внешних характеристик и в регулировке сварочного тока.

Требования, предъявляемые к внешним параметрам, определяются на основе таких показателей:

• тип электрода – это может быть плавящийся или неплавящийся стержень;
• характер рабочей среды – открытая дуга, дуга под флюсом, в защитном газе;
• степень автоматизации сварочного процесса – ручная, автоматическая, полуавтоматическая;
• способ регулирования механизма горения – саморегулирование, автоматическое.

Ручная дуговая сварка стержнями с покрытием, аргонодуговая с неплавящимся вольфрамовым электродом, механизированная под флюсом на автоматах с контролем скорости подачи присадочной проволоки в зависимости от величины напряжения дуги – методы соединения металлических деталей, в которых применяется падающая вольтамперная характеристика.

Виды сварочных трансформаторов.

Падающая вольтамперная характеристика подразумевает работу аппарата в режиме регулятора сварочного тока. Исходя из технологических и экономических соображений используется плавно-ступенчатое регулирование.

Такой тип управления предполагает две и более ступени регулирования, сочетающиеся с плавным изменением величины тока в каждой ступени.

Жесткая вольтамперная характеристика используется в автоматической сварке под флюсом при постоянной скорости подачи присадочной проволоки, независимо от напряжения дуги.

Источник питания в таком случае работает в качестве регулятора напряжения.

Изменение величины напряжения может быть:

• плавным;
• ступенчатым;
• смешанным.

Величина сварочного тока зависит от скорости, с которой подается электродная проволока. Источник питания, в свою очередь, устанавливает напряжение дуги и обеспечивает саморегулирование ее длины.

В зависимости от количества фаз выделяют:

1. Однофазный сварочный трансформатор – модель, работающая только при напряжении 220 В. Предназначен для бытовых нужд.
2. Трехфазный трансформатор – работает при напряжении сети 380 В. Такие модели способны обеспечить на выходе большую силу тока, что делает возможным соединение металлических деталей большой толщины.

Особенности выбора сварочного трансформатора

Решая, какой аппарат купить, учитывают следующие критерии:

1. Типы свариваемых металлов, параметры будущих швов. Для работы со сталью достаточно ручного оборудования с постоянным или переменным током. Эксплуатационные качества трансформатора позволяют варить изделия из любых черных металлов.
2. Силу тока. В бытовых условиях достаточно агрегата, выдающего 200 А.
3. Принцип действия. Полуавтоматические приборы надежны и просты в применении, однако отличаются высокой стоимостью. При использовании ручных агрегатов сварщику придется самостоятельно контролировать все параметры.
4. Надежность фирмы-производителя.

Схема и расчёт трансформатора

В ходе расчёта подлежат определению такие параметры:

1. Эксплуатационные показатели: тип питающей сети, диапазон регулировки, фактическая мощность, продолжительность непрерывного действия.
2. Размеры сварочного электрода.
3. Условия непрерывной работы.
4. КПД устройства.

Некоторые из перечисленных параметров взаимосвязаны, например, фазность и напряжение сети.

Ток сварки определяет функциональные возможности трансформатора, а именно, толщину свариваемого металла. Кроме того, с ростом тока увеличиваются диаметр проволоки в обмотках, масса агрегата и его размеры, что обусловлено необходимостью более эффективного охлаждения обмоток.

Соотношения между основными эксплуатационными характеристиками сварочных трансформаторов приведены ниже:

• При толщине обрабатываемой заготовки 1…2 мм, номинальный диаметр электрода составляет 1,6 мм, а рекомендуемое значение тока – не более 50 А.
• При толщине обрабатываемой заготовки 2…3 мм, номинальный диаметр электрода составляет 2…2,5 мм, а рекомендуемое значение тока – не более 100 А.
• При толщине обрабатываемой заготовки 3…4 мм, номинальный диаметр электрода составляет 3 мм, а рекомендуемое значение тока – не более 160 А.
• При толщине обрабатываемой заготовки 4…6 мм, номинальный диаметр электрода составляет 4 мм, а рекомендуемое значение тока – не более 200 А.
• При толщине обрабатываемой заготовки 6…8 мм, номинальный диаметр электрода составляет 5 мм, а рекомендуемое значение тока – не более 250 А.
• При толщине обрабатываемой заготовки 10…24 мм, номинальный диаметр электрода составляет 6…8 мм, а рекомендуемое значение тока – не более 320 А.
• При толщине обрабатываемой заготовки более 24 мм, номинальный диаметр электрода составляет 8…10 мм, а рекомендуемое значение тока – не более 630 А.

Более детальный расчёт параметров сварочного трансформатора ведут обычно при изготовлении агрегата своими руками.

Какие неисправности могут быть

При работе со сварочным трансформатором нередко возникают следующие проблемы:

1. Отсутствие электрической дуги, отказ запуска охлаждающего вентилятора. Главная причина – нарушение целостности питающего кабеля. Реже обнаруживается повреждение других компонентов оборудования или активация защиты от перегрева.
2. Отсутствие сварочной дуги при работающем вентиляторе. Наблюдается при нарушении связи между внутренними компонентами системы.
3. Отсутствие электрической дуги при работающей сигнальной лампе. Такая проблема возникает при срабатывании защитного режима.
4. Образование большого количества брызг. Качество шва сохраняется на низком уровне. Стоит проверить правильность подключения проводов, изменить полярность.

Возможные неисправности и ремонт

Сварочная аппаратура, как и любое техническое устройство, всегда может выйти из строя. Существуют некоторые признаки, по которым можно определить возникшие неисправности.

Возможные неисправности

Например, при проведении сварки, постоянно происходит залипание электрода. Это может быть вызвано низким напряжением, неправильной настройкой тока, неправильным выбором электрода и рядом других причин. Отсутствие дуги может быть вызвано перебитым кабелем, перегревом сварочного оборудования и множеством других причин.

Для ремонта сварочного трансформатора необходимо обладать определенными знаниями, то есть необходимо умение читать принципиальные электрические схемы и навык выполнения электромонтажных работ. Именно поэтому имеет смысл при возникновении неисправностей обращаться в мастерскую по их ремонту и обслуживанию.

Как самому смонтировать аппарат

Главная часть самодельного агрегата – сердечник. Его изготавливают из трансформаторной стали, купить которую достаточно сложно. Полученная конструкция имеет вид прямоугольника с сечением более 55 см². При формировании первичной и вторичной катушек устанавливают регулирующий винт. С его помощью перемещают подвижную обмотку.

Сечение провода первой катушки должно составлять более 5 мм². Для сборки трансформатора используют кабели с жаропрочной изоляцией.

Вторичная обмотка формируется из медного проводника сечением 30 мм². На последнем этапе собирают текстолитовый корпус, который служит защитой сварщика от поражения током.