3. Обеспечить номинальный сварочный ток Iсв = (30–40)∙dэ, где Iсв — величина сварочного тока, А; 30–40 — коэффициент, зависящий от типа и диаметра электрода; dэ — диаметр электрода, мм.
4. Ограничить ток короткого замыкания Iкз, величина которого не должна превышать номинальный сварочный ток более чем на 30–35 %.
Устойчивое горение дуги возможно в том случае, если сварочный аппарат будет обладать падающей внешней характеристикой, которая определяет зависимость между силой тока и напряжением в сварочной цепи (рис. 2).
Рис. 2. Падающая внешняя характеристика сварочного аппарата:
1 — семейство характеристик для различных диапазонов сварки; ΔIсв2, ΔIсв3, ΔIсв4 — диапазоны токов сварки для электродов диаметром 2, 3 и 4 мм соответственно; Uxx — напряжение холостого хода СА; IКЗ — ток короткого замыкания; ΔUсв — диапазон напряжений сварки (18–24 В)
Универсальный сварочный аппарат на токи от 15–20 до 150–180 А собрать достаточно сложно. Анализ промышленных СА показывает, что 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, для плавного изменения тока сварки в пределах выбранного диапазона используются механические устройства перемещения обмоток. При удалении сварочной обмотки относительно сетевой увеличиваются магнитные потоки рассеивания, что приводит к снижению тока сварки.
Конструируя любительский СА, не следует стремиться к полному перекрытию диапазона сварочных токов. Целесообразно на первом этапе собрать сварочный аппарат для работы с электродами диаметром 2–4 мм, а на втором этапе, в случае необходимости работы на малых токах сварки, дополнить его отдельным выпрямительным устройством с плавным регулированием сварочного тока.
Любительские сварочные аппараты должны удовлетворять ряду требований, основные из которых следующие: относительная компактность и небольшой вес; достаточная продолжительность работы (не менее 5–7 электродов dэ = 3–4 мм) от сети 220 В. 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, выбор типа сердечника.
Для изготовления сварочных аппаратов используют в основном магнитопроводы стержневого типа, поскольку в исполнении они более технологичны. Сердечник набирают из пластин электротехнической стали любой конфигурации толщиной 0,35—0,55 мм, стянутых шпильками, изолированными от сердечника (рис. 3).
Рис. 3. Магнитопровод стержневого типа:
а — пластины Г-образной формы; б — пластины П-образной формы; в — пластины из полос трансформаторной стали, S = a∙b — площади поперечного сечения сердечника (керна), см; с, d — размеры окна, см
При подборе сердечника необходимо учитывать размеры «окна», чтобы поместились обмотки сварочного аппарата, и площадь поперечного сечения сердечника (керна) S = a∙b, см2. Как показывает практика, не следует выбирать минимальные значения S = 25–35 см, поскольку сварочный аппарат не будет обладать требуемым запасом мощности и качественную сварку получить будет трудно. Да и перегрев сварочного аппарата после непродолжительной работы также неизбежен.
Сечение сердечника должно составлять S = 45–55 см. Сварочный аппарат будет несколько тяжелее, но не подведет!
Все большее распространение получают любительские сварочные аппараты на сердечниках тороидального типа, которые обладают более высокими электротехническими характеристиками, примерно в 4–5 раз выше, чем у стержневого, а электропотери невелики. Трудозатраты на их изготовление более значительны и связаны в первую очередь с размещением обмоток на торе и сложностью самой намотки. Однако при правильном подходе они дают хорошие результаты. Сердечники изготовляют из ленточного трансформаторного железа, свернутого в рулон в форме тора. Примером может служить сердечник из автотрансформатора «Латр» на 9 А. Для увеличения внутреннего диаметра тора («окна») с внутренней стороны отматывают часть стальной ленты и наматывают на внешнюю сторону сердечника. Но, как показывает практика, одного «Латра» недостаточно для изготовления качественного СА (мало сечение 8). Даже после работы с 1–2 электродами диаметром 3 мм он перегревается. Возможно использование двух подобных сердечников по схеме, описанной в статье Б.Соколова «Сварочный малыш» (Сам, 1993, № 1), или изготовление одного сердечника путем перемотки двух (рис. 4).
Рис. 4. Магнитопровод тороидального типа:
1, 2 — сердечник автотрансформатора до и после перемотки; 3 — конструкция СА на базе двух тороидальных сердечников; W1, W1 — сетевые обмотки, включенные параллельно; W2 — сварочная обмотка; S = a∙b — площадь поперечного сечения сердечника, см; с, d — внутренний и внешний диаметры тора, см; 4 — электрическая схема СА на базе двух состыкованных тороидальных сердечников
Особого внимания заслуживают 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.
Статор освобождают от корпуса, удаляют из внутренних пазов статорные обмотки, срубают зубилом перемычки пазов, защищают внутреннюю поверхность напильником или абразивным кругом, скругляют острые кромки сердечника и обматывают его плотно, с перекрытием хлопчатобумажной изоляционной лентой. Сердечник готов для намотки обмоток.
Выбор обмоток. Для первичных (сетевых) обмоток лучше использовать специальный медный обмоточный провод в х/б (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 СА) провода в полихлорвиниловой (ПХВ) изоляции из-за возможного ее расплавления, вытекания из обмоток и их короткого замыкания. Поэтому полихлорвиниловую изоляцию с проводов необходимо либо снять и обмотать провода по всей длине х/б изоляционной лентой, либо не снимать, а обмотать провод поверх изоляции. Возможен и другой проверенный на практике способ намотки. Но об этом ниже.
При подборе сечения обмоточных проводов с учетом специфики работы СА (периодический) допускаем плотность тока 5 А/мм. При токе сварки 130–160 А (электрод dэ = 4 мм) мощность вторичной обмотки составит Р2 = Icb∙Ucb = 160x24 ~= 3,5–4 кВт, мощность первичной обмотки с учетом потерь составит порядка 5–5,5 кВт, а следовательно, максимальный ток первичной обмотки может достигать 25 А.