Выпрямитель для сварочного аппарата

Процесс неразъемного соединения заготовок изделия расплавленными частями, полученных нагреванием, называется сварка.

Получение расплава в зоне контакта достигается различными способами: электродугой, механическим (давление), кузнечная (ковка), газовая (газовая дуга). В статье рассмотрены основные понятия по процессу электросварки, получения электродуги для сварки металла и основное оборудование применяемое для этого.

Что такое электродуга и способы ее получения

Электродуга для сварки образуется при достижении достаточной величины разности потенциалов между двумя электродами в ионизированной среде газов и испарений, образованных от обмазки электродов или флюсовых смесей.
Зажигание дуги обычно происходит в несколько этапов:

  • короткое замыкание заготовки с электродом;
  • последующие отвод электрода на 3 — 6 мм с возникновением дуги;
  • установление устойчивого горения дуги.

Короткое замыкание необходимо для быстрого разогревания места контакта и начала ионизации пространства вокруг зоны взаимодействия дуги и металла. После отвода электрода от зоны короткого замыкания возникает неустойчивая дуга. По мере ее горения происходит дальнейший разогрев и ионизация газов вокруг дуги. Часть электронов ионизируется в процессе ударение с другими участвующими в разряде электронами, часть разбивая атомы воздуха в зоне горения. В результате подобного взаимодействия воздушное расстояние становится полностью электропроводным, что способствует установлению горения устойчивого дугового разряда.


Условия устойчивого горения сварочной дуги

Хорошее качество сварного шва обеспечивает устойчивое горение дуги.
Это устойчивость обеспечивается определенным балансом между током сварки Iсв. и напряжением дуги Uд. Проще говоря — это режим при котором обеспечивается горение дуги между электродом и заготовкой без залипания электрода и стабильностью дуги. Отчасти такое состояние характеризует вольтамперная характеристика сварочного электродугового процесса, которая отражена на графике.

На графике видно три области:

  1. резкое падение напряжения с возрастанием силы тока, такая характеристика называется — падающая. Сварка в таком режиме обуславливают неустойчивое горение дуги стабильность горения не обеспечивается;
  2. напряжение дуги не меняется с возрастанием силы тока, такая характеристика называется — жесткой. В этой в этой зоне производится основной вид сварочных работ;
  3. напряжение увеличивается с возрастанием тока — это возрастающая характеристика. При таком режиме возможен перегрев зоны сварки и прожег тонколистового металла, применяется в ограниченном режиме.

Для того чтобы получить электрическую дугу достаточно иметь на электродах разность потенциалов порядка не менее 45 В. и величину вольтамперной дуги, желательно регулируемую в пределах от 80 — 400А. Еще одна важная характеристика — напряжение холостого хода. Эта характеристика необходима для более быстрого зажигания дуги и ее величина составляет порядка 70-80 В.

Принцип работы сварочного трансформатрора

Рассмотрим схему простейшего трансформатора, который предназначен для понижения напряжения на вторичной обмотке. Понижение напряжения вызывает увеличение тока на вторичной катушке. Такие трансформаторы называются токовыми. Они могут быть сборными из Ш — образных заготовок, или кольцевого железа. Для уменьшения от вредных вихревых наводок заготовки штампуются из тонких листов специальной трансформаторной стали. Из этих заготовок можно собирается остов с тремя или двумя сердечниками. На круглый каркас первичная и вторичная провода наматываются по всей длине железа накладывая рядом друг с другом вплотную. На остове с сердечниками первичная и вторичная катушки располагаются на раздельных стержнях. Отношение витков первичной и вторичной катушки называют коэффициентом трансформации. Например, число витков первичной катушки W1=100, а вторичной W2 = 10, то Кт = W1 / W2 = 10. Примерно на такую же величину возрастет вольтамперная нагрузка на вторичной обмотке.

Как отмечалось выше, дуга между электродом и заготовкой переменного напряжения является неустойчивой: металл в ванне расплава заполняется неравномерно, разбрызгивается и для качественного шва не подойдёт. Более устойчивое горения можно получить если ввести в схему сварочного трансформатора выпрямитель для сварочного аппарата переменного тока. Выпрямитель представляет из себя два или четыре однополярных диода (диодный мост), который пропускает переменное напряжение только в одном направлении и работает по двух или четырех полупериодной схеме соответственно.

Диодный мост преобразует переменное напряжение в постоянное. Такое дополнение позволяет стабилизировать характеристики сварки. Но, до идеала еще далеко, т.к. величина пульсации еще достаточно большая и для компенсирования этих пульсаций дополнительно в схему вводится дроссель и конденсатор. Эта схема работает по принципу электрического компенсатора, накапливая энергию в период пика на конденсаторе и отдавая его при минимальной амплитуде.

Расчет трансформатора для сварки средней мощности (для домашних нужд)

Для более лучшего понимания работы устройства, произведем его расчет самостоятельно.
Прежде всего нам понадобится необходимые начальные и выходные характеристики,начальные:

  • напряжение на входе — это потенциал сети 220 В;
  • напряжение на выходе — колеблется от 45 до 80 В.

дополнительные:

  • расчётные характеристики для вторичной обмотки. Здесь мы будем исходить из того: какое железо мы будем варить. Если от 3 до 5 мм, то аппарат должен быть рассчитан на диаметр электрода 3 — 4 мм, а — это 150 — 200 А. Если меньше, тогда на 100А.;
  • площадь сердечника — Sсер. Будет зависеть какая мощность необходима на выходе, в нашем случае сечение принимаем среднее, порядка от 45 до 50 см 2;
  • площадь промежутков между стержнями трансформатора — Sо. Подобные промежутки необходимы для формирования магнитного потока между стержнями, охлаждения намотки (величина влияет на беспрерывное время работы устройства) и удобства размещения катушек в окне. Для среднего магнитопровода достаточно параметр от 95 до 110 см2;
  • плотность (величина тока в проводе). Этот параметр для самодельных аппаратов принимается порядка 2,75 — 3, 5 А/мм2.

Для примера расчета возьмем среднюю величину выше приведённых параметров:

  • сетевое напряжение — U1=220 В;
  • выходное напряжение- U2=60 В,
  • номинальная сила тока — Iн -170 А,
  • площадь сечения сердечника- Sс=45 см2,
  • площадь окна So -100 см2,
  • плотность электронов в обмотке, — 3 А/мм2

Самый первый расчет — расчет потребляемой мощности, производится по формуле:

Pо = 1,5 х Sс х So = 1,5 х 4 5х 100 = 6750Вт (6,75 кВт.)

Внимание! Данная формула может быть применена к различному типу магнитного проводника, но с различным коэффициентом: расчетная величина 1,5 применяется к типу магнитопровода П, Ш, для кольцевых сердечников — 1,9, значение 1,7 применяется к сердечникам типа ШЛ, ШП

Расчет количества витков

Количество слоев для каждой обмотки определяем из величины площади сердечника по формуле K = 50 : Sс = 50/45 = 1,11 витка на один Вольт.

Внимание! В данной формуле, также, как и в первой, коэффициент 50 принят для трансформаторов с сердечниками типа П и Ш., для кольцевых сердечников будет равен 35 для, ШЛ и ШП — 40.

Теперь определим величину максимального тока на первичной обмотке по формуле: Imax = P : U = 6750 : 220 = 30,71 А. На основании этих данных можно узнать количество слоев для намотки.
Расчет ведется по формуле Wх =Uх * K. Для вторичной — это будет W2 = U2 х K = 60 х 1,11 = 67 витков.

Количество слоев первичной обмотки узнаем, позже т.к. для этого необходимо применить другую формулу. Для регулировки мощности на выходе, от первичной обмотки производится несколько выводо. Количество витков для первичной намотки находим по формуле: W1ст = (U1 х W2): Uст, вит.

Где:

  • Uст – напряжение на вторичной обмотке.
  • U1 – напряжение первичной обмотки;
  • W2 – количество витков вторичной обмотки;
  • W1ст – количество первичной обмотки определенной ступени.

Но прежде необходимо рассчитать напряжение каждой ступени Uст. Для этого воспользуемся формулой U=P: I, В.

По формуле U = P : I, В. для исходного расчетного трансформатора Р= 6750 Вт, рассчитаем данные для четырех ступеней мощностью 95 А, 110 А, 135 А и 165 А., Подставив данные в формулу, получаем U1ст1=6750:95 =71 В, U1ст2=61 В, U1ст3=50 В, U1ст4=41 В.

Далее используем полученные данные для расчета намотки. По формуле W1ст = (U1 х W2): Uст, вит. получаем количество витков для каждой ступени (с округлением в большую сторону) W1ст1=(220х67): 71 =208 витка, W1ст2 = 242 W1ст3 = 295 витка, W1ст4 = 359 витков.

Прибавив к большему количеству витков значение от 6 %, получим необходимое расчетное общее количество витков первичной обмотки W1=359+18 = 377.

Наконец, рассчитаем сечение провода на первичной и вторичной обмотках. Для этого делим максимальный ток для каждой намотки на плотность тока. В результате расчета: Sвтор =165 : 3 = 55 мм2 , Sперв = 11 мм2.

В итоге расчета сварочного трансформатора, питающегося от однофазной сети U1 = 220В, мощностью 6,75кВт. получим:

Железо: П образные штампованные листы трансформаторной стали толщиной 0,5 мм
Тип обмоток — круговые намотанные на каркас; Количество витков W1 =377 в., W2 = 67 в.,
Количество регулируемых ступеней — 4. при Iрег — 95 А, 110 А, 135 А и 165 А.
Сечение провода Sвтор = 55 мм2, Sперв = 11 мм2

Выбор диаметра электрода от толщины свариваемого металла и тока

Как было отмечено выше, правильный выбор необходимой мощности сварки зависит от толщины свариваемого металла, чем толще металл, тем больше нужен ток, проводником которого является электрод. Электроды выпускается от 1 до 6 мм (для бытовых аппаратов). Точный подбор типа и диаметра электрода поможет избежать нестабильности дуги и ее колебания по сварочной ванне. От этого могут образоваться раковины (непровар) и увеличенное сечение шва. Качество сварочного шва ухудшается.

Если аппарат приобретён в торговой сети, фирма производитель указывает диаметр электрода от величины тока, если же трансформатор сконструирован своими руками, то можно ориентироваться примерно на таблицу.

Примерное соотношение толщины металла, диаметра электрода и сварочного тока

Толщина металла, мм0,50,8-1,534 -56-809 -1213-15
Диаметр электрода, мм11,5 — 233 — 444 — 55
Ток сварки, А10-2030-4565-110110-120121-151121-200201-250

Сварочный аппарат «Терминатор»

Сварочный трансформатор с выпрямителем постоянного тока в подсобном хозяйстве вещь очень полезная. Однако, если взять выше рассчитанный трансформатор с мощностью вторичной ступени 170 А, с потребляемой мощностью почти 7 кВт. При нынешних ценах на электроэнергию один день работы с таким аппаратом обойдётся в немаленькую сумму. При этом необходимо учитывать ещё немаловажную вещь, как пульсация электроэнергии в общей сети, особенно если это единая однофазная сеть на всю улицу (сельская электропроводка) а ведь именно там больше всего такие изделия и нужны. Отчасти эту проблему могут решить применение сглаживающих дросселей, но при недостаточной напруге в сети колебания напряжения могут доходить до 50 В.

Такие скачки не смогут сгладить даже мощные дросселя и сетевые стабилизаторы. Это отрицательно сказывается на работе бытовых приборов, например, холодильниках. И уже тогда разборок с соседями точно не миновать.

При развитии современных технологий, промышленность выпускает компактные трансформаторы. Так -как мы уже знаем параметры необходимого трансформатора, то далее будем рассматривать аппараты для применения в подсобном хозяйстве в этих пределах. Хорошо востребованные изделия московского компании «Тор» — терминатор сварочный аппарат с выпрямителем

Сварочный трансформатор «Терминатор» имеет вес 13 кг при почти профессиональных характеристиках: регулируемое разброс тока от 30 до 170А, небольшой вес и габариты, низкая цена (всего 14 тыс. руб.). Именно из -за малые веса аппарат приобрел популярность. Аппарат востребован не только в домашних, но и профессиональных работах, особенно где от сварочного оборудования требуется мобильность — переноска с одного места на другое, например, в коммунальной сфере; стройке, ремонта автотранспортного оборудования, в общем, везде, где нужно часто менять место работы.

У «Терминатора» имеется принудительная система охлаждения вентиляторами, которые регулируют мощность воздушного потока от датчиков температуры. Такая система охлаждения дает возможность использовать аппарат с 70% коэффициентом ПНВ (продолжительность непрерывного включения) это значит, что работать аппарат может из 10 минут — 7 работа, 3 отдых.

Если же произойдет перегрев обмоток, то защита отключит аппарат от нагрузки автоматически. В трансформаторе обмотки выполнены из 9 % меди, что практически исключает потери на внутреннее сопротивление. Поэтому аппарат очень экономичен.

Трансформатор или инвертор

За десятилетие выпуска сварочного трансформатора «Терминатор» Московская фирма «Тор» неоднократно совершенствовал конструкцию выпрямителя. И как логическое продолжение был выпущен сварочный инвертор Торус-175 «Терминатор — 2». Это устройство с новейшей системой преобразования переменного напряжения, стал весить 5 кг, а мощность тока увеличилась до 175 А. Такие характеристики уже можно использовать не только для сварки, но и для резки металла. Имея такие характеристики инвертор стал еще больше популярен в профессиональных кругах.

Несомненно, такие качества как низкая цена, небольшой вес, 60% ПНВ, высокая степень надежности — срок гарантии прибора 3 года, принесут аппарату ещё большую популярность. Основные характеристики инвертора можно посмотреть, зайдя к нам на сайт. Также здесь можно купить любую технику и инструмент.

Основные характеристики сварочного инвентора «Терминатор-2»

ПараметрЗначение
Диапазон сварочного тока30 — 175 А.
Возможные диаметры применяемых электродов1,6 — 4,0 мм.
Тип сваркиMMA (ручная дуговая сварка штучным покрытым электродом). TIG (аргонодуговая сварка с TIG LIFT поджигом дуги
Напряжение сетиот 165В до 242В.
Мощность5,2 кВт.
Напряжение холостого хода65 В.
Возможность подключения к электростанцииесть (рекомендуемая номинальная мощность генератора 5,5 кВт при максимальном сварочном токе).
Продолжительность нагрузки при максимальном сварочном токе (t=20oC)60% при 175А (6,0 минут работает 4,0 отдыхает).
Класс защитыIP21.
Управление сварочным токомРучной ступенчатый регулятор.
Охлаждение аппаратапринудительное воздушное (вентилятор).
КомплектацияПоставляется без сварочных проводов и клемм заземления, Кабеля, держатель электродов (приобретаются отдельно, можно у нас в магазине) — Картонная коробка, — Инструкция эксплуатации.
Вес4,6 кг.
Габаритные размеры (ДхШхВ)271×187×126 мм.
Гарантия3 года.