Для самодельных трансформаторов обыкновенно применяются либо стержневые, либо тороидальные сердечники. Причем в качестве последних чаще всего рекомендуется использовать определенным образом подготовленный статор отслужившего свой срок асинхронного двигателя или сердечник лабораторного автотрансформатора (ЛATPa) [1].
ВАХ трансформатора, изготовленного на стержневом магнитопроводе, при условии расположения обмоток на разных стержнях и определенной удаленности обмоток друг от друга, является падающей. Однако из-за малого магнитного рассеяния и, соответственно, незначительного индуктивного сопротивления обмоток крутизна падения ВАХ невелика. Поэтому сварка таким источником питания возможна только на больших сварочных токах (естественно, при условии достаточной мощности). На малых токах дуга будет неустойчива, неэластична, и для того, чтобы осуществлять сварку, например, тонкого металла, необходим немалый сварочный опыт.
Еще хуже в этом смысле будет обстоять дело, если сердечник трансформатора тороидальный. Дело в том, что тороидальный сердечник с равномерно распределенными обмотками, навитыми одна на другую, практически не дает потоков магнитного рассеяния и, следовательно, имеет очень малое индуктивное сопротивление со всеми вытекающими отсюда для процесса сварки (даже на больших токах) негативными последствиями. В то же время, следует подчеркнуть, конструкция трансформатора на тороидальном сердечнике обеспечивает наибольшую компактность.
Возникает вопрос, почему же тогда на практике осуществима сварка с помощью трансформаторов [2–9], выполненных на тороидальных сердечниках, если они по своей конструкции и в силу вышеприведенных рассуждений должны были бы иметь жесткую ВАХ. Объяснение простое: площадь сечения сердечников этих трансформаторов такова (20…50 см2), что при сварке железо их магнитопроводов работает в режиме магнитного насыщения, характеризуемом интенсивным магнитным рассеянием. В этом режиме резко возрастает индуктивное сопротивление обмоток и ВАХ трансформатора становится падающей. Однако в режиме насыщения очень сильно греется магнитопровод, и в совокупности с нагревом обмоток перегрев трансформатора ограничивает время его непрерывной работы: после сжигания нескольких электродов требуется обязательное выключение источника для его охлаждения.
Для увеличения времени непрерывной работы трансформатора можно использовать принудительное охлаждение обмоток электровентилятором [7]. Однако, как показывает опыт, с точки зрения непрерывности работы эта мера малоэффективна, хотя срок службы трансформатора, особенно у азартных, увлекающихся сварщиков, она, конечно, продлевает.
Может быть, для любительской сварки чаше всего и не требуется длительной непрерывной работы трансформатора. В то же время, если габариты и масса источника жестко не лимитированы, лучше сделать трансформатор помощнее: и надежность его выше, и сварочные возможности шире, и сваривать можно практически без перекуров. Естественно, что увеличение мощности трансформатора потребует большей мощности сети питания, что, в общем-то, для условий гаража, дачи, фермерского хозяйства и т. п. не является большой проблемой.
Кстати говоря, опасения по поводу увеличения массы и габаритов трансформатора сильно преувеличены, особенно, если сердечник будет тороидальным: примерно двукратное увеличение мощности трансформатора приводит к увеличению массы сердечника всего лишь на 30…40 %. В то же время практика показала, что увеличение сечения магнитопровода до 60…70 см2 резко увеличивает надежность и улучшает эксплуатационные характеристики трансформатора как по продолжительности непрерывной работы, так и по производительности. Правда, ВАХ источника будет жесткой, и это приводит к затруднениям при сварке на малых и даже средних токах. Как же исправить положение?
В известных конструкциях любительских сварочных аппаратов на тороидальных сердечниках применяют разные способы получения падающей ВАХ: с помощью электронного регулирования [8,9 |, изменением расстояния между первичной и вторичной обмотками [10], введением во вторичную цепь диодного моста с конденсаторами [11]. На наш взгляд, наиболее простой, надежный и эффективный путь для любительских трансформаторов: включить последовательно в сварочную цепь дополнительную индуктивность — дроссель.
Регулируя величину индуктивного сопротивления дросселя, можно изменять крутизну ВАХ — от жесткой к крутопадающей. Изменение индуктивного сопротивления удобнее производить за счет последовательного включения в сварочную цепь разного числа витков обмотки дросселя. Подключая в сварочную цепь ту или иную секцию обмотки дросселя и имея семейство падающих ВАХ, можно получать разную величину сварочного тока при одном и том же напряжении дуги, то есть регулировать режим сварки.
Применение дросселя дает еще одно важное преимущество — повышение стабильности горения дуги и уменьшение разбрызгивания металла. При чисто активном сопротивлении сварочной цепи (сама сварочная дуга является активным сопротивлением) на полюсах дуги переменного тока в каждом полупериоде происходит перемена полярности, а следовательно, угасание и возбуждение сварочной дуги (напомним, что при промышленной частоте тока 50 Гц перемена полярности происходит 100 раз в секунду). Наличие же индуктивности облегчает повторное возбуждение и практически исключает перерывы в горении дуги переменного тока благодаря ЭДС самоиндукции, индуцируемой магнитным потоком, возникающим в сердечнике дросселя под действием сварочного тока в обмотке.
Точный расчет дросселей сложен, поэтому для самостоятельно изготавливаемых сварочных трансформаторов наиболее приемлемым и рациональным является экспериментальное определение и подбор параметров дросселя (сечения магнитопровода, сечения проводника и числа витков обмотки). Можно дать лишь следующие наиболее общие рекомендации.
Магнитопровод дросселя может иметь любую конфигурацию, главное, чтобы его сечение не было много меньше сечения магнитопровода трансформатора. В противном случае дроссель будет сильно нагреваться. Обмотка дросселя должна выполняться проводником того же сечения, что и вторичная обмотка трансформатора. Число витков обмотки дросселя подбирается опытным путем по легкости зажигания дуги, стабильности процесса сварки, возможности регулирования режима сварки. Для регулирования сварочного тока обмотку дросселя следует выполнять секционированной.
Например, для сварочного трансформатора на тороидальном сердечнике мощностью около 5 кВт был изготовлен дроссель с площадью сечения магнитопровода 20 см2 и числом витков обмотки 33. Обмотка дросселя была выполнена медной шиной сечением около 20 мм2 в стеклотканевой изоляции и разделена на три секции: 15, 26 и 33 витка. При подключении всей обмотки дросселя можно осуществлять сварку электродами диаметром 2…3 мм, при 26 витках — электродами диаметром 3…4 мм, при 15 витках — электродами диаметром 4…5 мм, без дросселя — электродами диаметром 5 мм.
Длительная эксплуатация трансформатора с дросселем показала хорошие сварочные качества: легкость зажигания сварочной дуги, ее эластичность и устойчивое горение на любых режимах, малое разбрызгивание электродного металла и качественное формирование сварного шва.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пустовойт Н.И. Конструирование любительских сварочных аппаратов. — Сделай сам. — 1998. — Вып. 4.
2. Дружинин В. Сварочный из… ничего. — Моделист-конструктор. — 1992. — № 8.
3. Соколов Б. Сварочный малыш. — САМ. — 1993 — № 1.