Сварочный трансформатор своими руками

Преимущества ручной элекросварки очевидны и бесспорны: простота в пользовании, широчайшая область применения, высокая производительность и надежность соединений - и все это при возможности работы практически везде, где есть электросеть. Проблем с выбором и приобретением сварочных аппаратов сегодня, вроде бы, не существует. В продаже появилось немало бытовых и профессиональных сварочных аппаратов промышленного изготовления. Наперебой предлагают свою продукцию и всевозможные кустарные мастерские и умельцы. Да вот только цены на фабричные аппараты "кусаются", как правило, в несколько раз, превосходя теперешний среднемесячный заработок. В основном именно это печальное несоответствие между собственным достатком и ценой всегда и вынуждает многих людей браться за сварку собственными руками.
Радиоконструкторы на любой вкус

В современной литературе можно встретить немало материала по сварочному делу. Я предлагаю самое главное: как и из чего в домашних условиях изготовить сварочные трансформаторы. Все описанные в дальнейшем схемы сварочных трансформаторов прошли практическую проверку и реально пригодны для ручной электросварки

Сварочный аппарат своими руками

Некоторые же из схем отрабатывались "в народе" на протяжении десятилетий и стали своего рода "классикой" самостоятельного "трансформаторостроения".

Конструкции самодельных сварочных трансформаторов

Как и любой трансформатор, сварочный трансформатор состоит из первичной и вторичной (возможно с отводами) обмоток, намотанных на крупном магнитопроводе из трансформаторного железа. От обычного трансформатора СТ отличает режим работы: работает он в дуговом режиме, т.е. в режиме практически максимально возможной мощности. А отсюда и сильные вибрации, интенсивный нагрев, необходимость применения провода большого сечения. Запитывается СТ от однофазной сети 220-240 В. Выходное напряжение вторичной обмотки в режиме холостого хода (х.х.) (когда к выходу не подключена нагрузка ) у самодельных сварочных трансформаторов лежит, как правило, в пределах 45-50 В, реже до 70 В.

Вообще, выходные напряжения для промышленных сварочных агрегатов ограничены (80 В для переменного, 90 В для постоянного напряжения). Поэтому большие стационарные агрегаты имеют на выходе 60-80 В. Основной мощностной характеристикой СТ принято считать выходной ток вторичной обмотки в дуговом режиме (режиме сварки). При этом электрическая дуга горит в зазоре между концом электрода и свариваемым металлом. Величина зазора 0,5.1,1 d (d - диаметр электрода), она поддерживается вручную. Для переносных конструкций рабочие токи составляют 40-200 А. Сварочный ток определяется мощностью СТ. От выходного тока СТ зависят выбор диаметра используемых электродов и оптимальная толщина свариваемого металла.

Наиболее распространенными являются электроды со стальными прутьями Ж3 мм ("тройка"), для которых необходимы токи 90-150 А (чаще 100-130 А). В умелых руках "тройка" будет гореть и при 75 А. При токах, больших 150 А, такие электроды мож-но применять для резки металла (тонкие ли- сты железа 1-2 мм можно резать и при меньших токах). При работе электродом Ж3 мм через первичную обмотку СТ проте- кает ток 20-30 А (чаще около 25 А). Если выходной ток ниже требуемого, то электроды начинают "липнуть" или "клеиться", привариваясь кончиками к свариваемому металлу: так, СТ начинает работать с опасной перегрузкой в режиме короткого замыкания. При токах, больше допустимых, электроды начинают резать материал: так можно испортить все изделие. Для электродов с железным стержнем Ж2 мм необходим ток 40-80 А (чаще 50-70 А). Ими можно аккуратно сваривать тонкую сталь толщиной 1-2 мм.

Электроды Ж4 мм хорошо работают при токе 150-200 А. Более высокие токи используют для малораспространенных (Ж5-6 мм) электродов и резки металла. Кроме мощности, важным свойством СТ является его динамическая характеристика. Динамическая характеристика трансформатора во многом определяет стабильность горения дуги, а значит, и качество сварных соединений. Из динамических характерис- тик можно выделить крутопадающую и по- логопадающую. При ручной сварке происходят неизбежные колебания конца электрода и соответственно изменение длины горения дуги (в момент зажигания дуги, при регулировании длины дуги, на неровностях, от дрожания рук).

Если динамическая характеристика СТ крутопадающая, то при колебаниях длины дуги происходят незначительные изменения рабочего тока во вторичной обмотке трансформатора: дуга горит стабильно, сварной шов ложится ровно. При пологопадающей или жесткой характеристике СТ: при изменении длины дуги рез- ко меняется и рабочий ток, что меняет режим сварки - в результате дуга горит нестабильно, шов получается некачественным, работать с таким СТ вручную тяжело или вообще невозможно. Для ручной дуговой сварки необходима крутопадающая динамическая характеристика СТ. Пологопадающая применяется для автоматической сварки. Вообще в реальных условиях как-либо измерить или количественно оценить параметры вольт-амперных характеристик, впро- чем, как и многие другие параметры СТ, вряд ли представляется возможным. Поэтому на практике СТ можно делить на такие, которые сваривают лучше и которые работают хуже.

Когда сварочный трансформатор работает хорошо, сварщики говорят: "Варит мягко". Под этим следует понимать высокое качество шва, отсутствие разбрызгивания металла, дуга все время горит стабильно, металл наплавляется равномерно.

Все описанные в дальнейшем конструкции СТ реально пригодны для ручной дуговой сварки. Режим работы СТ можно охарактеризовать как кратковременный повторяющийся. В реальных условиях после сваривания, как правило, следуют монтажные, сборочные и другие работы. Поэтому СТ после работы в дуговом режиме имеет какое-то время для охлаждения в режиме х.х. В дуговом режиме СТ интенсивно нагревается, а в режиме х.х. охлаждается, но намного медленнее. Хуже ситуация, когда СТ применяют для резки металла, что весьма распространено.

Чтобы перерезать дугой толстые прутья, листы, трубы и т.д., при не слишком высоком токе самодельного трансформатора, приходится слишком перегревать СТ. Любой аппарат промышленного изготовления характеризуется таким важным параметром, как коэффициент продолжительности работы (ПР), измеряемым в %. Для отечественных заводских переносных аппаратов массой 40-50 кг ПР обычно не превосходит 20%. Это значит, что СТ может работать в дуговом режиме не более 20% общего времени, остальные 80% он должен находится в режиме х.х.. Для большинства самодельных конструкций ПР следует принимать еще меньше. Интенсивным же режимом работы СТ будем считать такой, когда время горения дуги того же порядка, что и время перерывов. Самодельные сварочные трансформаторы выполняют по разным схемам: на П-, ПU- и Ш-образных магнитопроводах: тороидальные, с различными комбинациями расположения обмоток. Схема изготовления СТ и количество витков будущих обмоток главным образом определяются имеющимся в распоряжении сердечником - магнитопроводом. В дальнейшем в статье будут рассмотрены реальные схемы самодельных СТ и материалы для них. Сейчас же определим, какие обмоточные и изоляционные материалы понадобятся для будущего СТ.

Учитывая высокие мощности, для обмоток СТ применяют относительно толстый провод. Развивая во время работы значительные токи, любой СТ постепенно нагревается. Скорость нагрева зависит от ряда факторов, важнейшим из которых является диаметр или площадь поперечного сечения проводов обмоток. Чем толще провод, тем лучше он пропускает ток, тем меньше он нагревается и, наконец, тем лучше он рассеивает тепло. Основной характеристикой является плотность тока (А/мм2): чем выше плотность тока в проводах, тем интенсивнее происходит разогрев СТ.

Обмоточные провода могут быть медными или алюминиевыми. Медь позволяет использовать в 1,5 раз большую плотность тока и меньше греется: первичную обмотку лучше намотать медным проводом. В промышленных аппаратах плотность тока не превышает 5 А/мм2 для медного провода. Для самодельных вариантов СТ удовлетворительным результатом можно считать и 10 А/мм2 для меди. С увеличением плотности тока резко ускоряется нагрев трансформатора. В принципе, для первичной обмотки можно использовать провод, через который потечет ток с плотностью до 20 А/мм2, но тогда СТ нагреется до температуры 60° С уже после использования 2-х- 3-х электродов.

Если вы считаете, что сваривать вам придется немного, небыстро, и лучших материалов у вас все равно не найдется, то можно первичную обмотку намотать проводом и с сильной перегрузкой. Хотя это, конечно, неизбежно уменьшит надежность аппарата. Кроме сечения, другой важной характеристикой провода является способ изоляции. Провод можно покрыть лаком, намо- тать в один или два слоя нити или ткани, которые, в свою очередь, пропитать лаком. От типа изоляции сильно зависит надежность обмотки, ее максимальная температура перегрева, влагостойкость, изоляционные качества (см. таблицу).

Типы проводов используемые при намотке самодельного сварочного трансформатора

Наилучшей является изоляция из стеклоткани, пропитанной теплостойким лаком, однако достать такой провод сложно, а если покупать, то обойдется он недешево. Наименее желательным, но самым доступным материалом для самоделок являются обычные провода ПЭЛ, ПЭВ Ж1,6-2,4 мм в простой лаковой изоляции. Такие провода наиболее распространены, их можно снять с катушек дросселей, трансформаторов отслужившего оборудования. Осторожно снимая старые провода с каркасов катушек, необходимо следить за состоянием их покрытия и слегка поврежденные участки дополнительно изолировать.

Если катушки с проводом были дополнительно пропитаны лаком, их витки между собой склеились, и при попытке рассоединения затвердевшая пропитка часто срывает и собственное лаковое покрытие провода, оголяя металл. В редких случаях, при отсутствии других вариантов "самодельщики" наматывают первичные обмотки даже монтажным проводом в хлорвиниловой изоляции. Его недостатки: 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, она больше греется. Первичная обмотка находится под высоким напряжением, при ее межвитковом замыкании или пробое изоляции, например, через попавшую влагу, вся катушка быстро "сгорает".

Как правило, восстановить ее без разборки всей конструкции невозможно. Вторичную обмотку СТ наматывают единым или многожильным проводом, сечение которого обеспечивает необходимую плотность тока. Существует несколько способов решения этой проблемы. Первый можно использовать монолитный провод сечением 10-24 мм2 из меди или алюминия. Такие провода прямоугольного сечения (обычно называемые шиной) используют для промышленных СТ. Однако в большинстве самодельных конструкций провод обмоток приходится много раз протягивать через узкие окна магнитопровода. Попробуйте себе представить, как это проделать примерно 60 раз с твердым медным проводом сечением 16 мм2.

В этом случае лучше отдать предпочтение алюминиевым проводам: они намного мягче, да и стоят дешевле. 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 применяют в мощных трехфазных кабелях. Резину легко удалить, а вместо нее провод обмотать слоем какого-нибудь тонкого изоляционного материала.

Третий способ - можно изготовить вторичную обмотку сварочного трансформатора из нескольких одножильных проводов - примерно таких, которыми намотана первичная обмотка. Для этого 2-5 проводов Ж1,6- 2,5 мм аккуратно стягивают вместе скотчем и используют как один многожильный. Такая шина из нескольких проводов занимает небольшой объем и обладает достаточной гибкостью, что облегчает ее укладку. Если же нужный провод достать трудно, то вторичную обмотку можно изготовить из тонких, наиболее распространенных проводов ПЭВ, ПЭЛ Ж0,5-0,8 мм, хотя для этого и придется потратить час-другой.

Для начала нужно выбрать ровную поверхность, где жестко установить два колышка или крючка с расстоянием между ними, равным длине провода вторичной обмотки 20- 30 м. Потом между ними протянуть без прогиба несколько десятков жил тонкого провода, получится один вытянутый пучок. Далее один из концов пучка отсоединить от опоры и зажать в патрон электро- или ручной дрели. На небольших оборотах весь пучок в слегка натянутом состоянии, закручивается в единый провод. После скручивания длина провода немного уменьшится. На концах получившегося многожильного провода нужно аккуратно обжечь лак и зачистить кончики каждого проводка отдельно, а потом надежно спаять все вместе.

После всего провод желательно изолировать, обмотав его по всей длине слоем, например, скотча. Для укладки обмоток, крепления провода, межрядовой изоляции, изоляции и крепления магнитопровода понадобится тонкий, крепкий и теплостойкий изоляционный материал. В дальнейшем будет видно, что во многих конструкциях СТ объем окон магнитопровода, в которые необходимо укладывать несколько обмоток толстыми проводами, сильно ограничен. Поэтому в этом "жизненно важном" пространстве магнитопровода 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 исключить сразу из применения на греющихся участках СТ. 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 меж рядами - обычный скотч. Скотч можно отнести к наиболее удобным изоляционным материалам. Ведь обладая клейкой поверхностью, малой толщиной, эластичностью, он достаточно теплоустойчивый и крепкий.

Тем более что сейчас скотч продается почти везде на катушках различной ширины и диаметров. Катушки малых диаметров как нельзя лучше подходят для протяжки через узкие окна компактных магнитопрводов. Два-три слоя скотча между рядами провода практически не увеличивают объем катушек. И наконец, самый важный элемент любого самодельного сварочного трансформатора - магнитопровод. Как правило, для са- моделок используются магнитопроводы старых электроприборов, которые до того ничего общего с сварочным трансформатором не имели, например, крупные трансформаторы, ЛАТРы, электродвигатели. Наиболее важным параметром магнитопровода является его площадь поперечного сечения (S), по которому циркулирует поток магнитного поля.

Для изготовления сварочного трансформатора подходят магнитопроводы с площадью сечения 25-60 см2 (чаще 30-50 см2). Чем больше сечение, тем больший поток сможет передавать магнитопровод, тем большим запасом мощности обладает трансформатор и тем меньшее количество витков содержат его обмотки. Хотя оптимальная площадь сечения магнитопровода, когда СТ средней мощности обладает лучшими характеристиками, 30 см2.

Существуют стандартные методики расчета параметров магнитопровода и обмоток для схем СТ промышленного изготовления. Однако для самоделок эти методики практически не пригодны. Дело в том, что расчет согласно стандартной методике ведется для заданной мощности СТ, причем только в единственном варианте. Для нее отдельно рассчитывают оптимальное значение сечения магнитопровода и количество вит- ков. На самом деле, площадь сечения маг- нитопровода для той же мощности может находиться в весьма широких пределах. Связи между произвольным сечением и витками в стандартных формулах нет. Для самодельных сварочных трансформаторов обычно используют любые магнитопроводы, и понятно, что найти сердечник с "идеальными" параметрами стандартных методик практически невозможно.

На практике приходится подбирать витки обмоток под существующий магнитопровод, выставляя тем самым требуемую мощность. Мощность СТ зависит от ряда параметров, учесть которые в полной мере в обычных условиях невозможно. Однако важнейшими среди них являются количество витков первичной обмотки и площадь сечения магнитопровода. Соотношение между площадью и количеством витков и будет определять рабочую мощность СТ.

Для расчета СТ, предназначенных для Ж3-4 мм электродов и работающих от однофазной сети с напряжением 220-230 В, предлагаю использовать следующую приближенную формулу, полученную мной на основе практических данных. Количество витков N=9500/S (см2). При этом для СТ с большой площадью магнитопровода (более 50 см2) и относительно высоким КПД можно рекомендовать увеличить количество рассчитанных по формуле витков на 10-20%. Для СТ, изготавливаемых на сердечниках с небольшой площадью (меньше 30 см), воз- можно придется, наоборот, уменьшить на 10- 20% количество расчетных витков. Кроме того, полезная мощность сварочного трансформатора будет определяться еще рядом факторов: КПД, напряжением вторичной обмотки, напряжением питания в сети. (Практика показывает, что сетевое напряжение в зависимости от местности и времени может колебаться в пределах 190-250 В)

Немаловажное значение имеет и сопротивление линии электропередачи. Составляя всего единицы ома, оно практически не влияет на показания вольтметра, обладающего большим сопротивлением, но может сильно гасить мощность СТ. Особенно может сказывается влияние сопротивления линии в отдаленных от трансформа- торных подстанций местах (например, дачи, гаражные кооперативы, в сельской местности, где линии проложены тонкими про- водами с большим количеством соединений). Поэтому изначально точно рассчитать выходной ток СТ для разных условий, вряд ли возможно - это можно сделать только приблизительно.

Наматывая первичную обмотку, ее последнюю часть лучше выполнить с 2-3 отводами через 20-40 вит- ков. Таким образом, можно подрегулировать мощность, выбрав оптимальный для себя вариант, или подстроиться под сетевое напряжение. Для получения от СТ более высоких мощностей, например для работы Ж4 мм электродом на токах, больших 150 А, необходимо еще уменьшить количество витков первичной обмотки на 20-30%. Но следует помнить, что с увеличением мощности возрастает и плотность тока в проводе, а значит, и интенсивность разо- грева обмоток. Выходной ток СТ можно также несколько повысить увеличением количества витков вторичной обмотки, чтобы выходное напряжение х.х. повысилось с предполагаемых 50 В до более высоких значений (70-80 В).

Включив первичную обмотку в сеть, на- до измерить ток х.х., он не должен иметь большое знание (0,1-2 А). (При включении СТ в сеть происходит кратковременный, но мощный скачок тока). В общем по току х.х. нельзя судить о выходной мощности СТ: он может быть разным даже для одинаковых типов трансформаторов. Однако, исследовав кривую зависимости тока х.х. от питающего СТ напряжения, можно более уверенно судить о свойствах трансформатора. Для этого первичную обмотку сварочного трансформатора необходимо подключить через ЛАТР, что позволит плавно менять напряжение на ней от 0 до 250 В. Вольт-амперные характеристики СТ в режиме холостого хода при различных количествах витков первичной обмотки показаны на рисунке,

Вольт-амперные характеристики сварочного трансформатора

где 1 - обмотка содержит мало витков; 2 - СТ работает при максимальной своей мощности; 3, 4 - умеренная мощность СТ. Сначала кривая тока полого, почти линейно возрастает до небольшого значения, потом скорость возрастания увеличивается - кривая плавно загибается вверх, после чего следует стремительное увеличение тока. Когда стремление тока к бесконечности происходит до точки рабочего напряжения 240 В (кривая 1), то это значит, что первичная обмотка содержит мало витков, и ее необходимо домотать (надо учитывать, что СТ, включенный на тоже напряжение без ЛАТРа, будет потреблять ток примерно на 30% больше). Если точка рабочего напряжения лежит на изгибе кривой, то СТ будет выдавать свою максимальную мощность (кривая 2, ток сварки порядка 200 А). Кривые 3 и 4 соответствуют случаю, когда трансформатор имеет ресурс мощности и незначительный ток х.х.: большинство самоделок ориентированы на этот случай. Реально токи х.х. различны для разных типов СТ: большинство лежит винтервале 100-500 мА. Я не рекомендуюустанавливать ток х.х. более 2 А. После знакомства с общими вопросами изготовления самодельных сварочных трансформаторов мы можем перейти к подробному рассмотрению реально существующих конструкций СТ, особенностей их изготовления и материалов для них. Практически все из них я собирал своими руками или же брал непосредственное участие при их изготовлении.

Сварочный трансформатор на магнитопроводе от ЛАТРов

Отличный сварочный аппарат можно сделать на основе лабораторного автотрансформатора ЛАТР и самодельного тиристорного минирегулятора с выпрямительным мостом. Они дают возможность не только безопасно подключаться к стандартной сети напряжением 220 В, но и изменять напряжение на электроде, а значит, выбирать требуемую величину сварочного тока.

Сварочный трансформатор на магнитопроводе из статора электродвигателя

Для изготовления сварочного трансформатора можно использовать статор от асинхронного двигателя. Размер сердечника определяется в данном случае площадью поперечного сечения статора, которая должна быть не меньше 20 см2. Если, это условие выполнено, то подойдет любой статор. Площадь поперечного сечения определяется так, как это показано на рисунке немного ниже.

Сварочный трансформатор из телевизионных трансформаторов

У всех описанных выше конструкций сварочных трансформаторов есть общие недостатки: необходимость наматывать провод, каждый раз протягивая витки через окно, а также дефицит материала магнитопровода, - ведь далеко не каждый может достать кольца от ЛАТРа или подходящий статор от электродвигателя. Поэтому я смог изготовить сварочный трансформатор собственной конструкции, не требующий дефицитных материалов. Он не имеет указанных недостатков, и его легко реализовать в домашних условиях. В качестве исходного материала для данной конструкции используется очень распространенный материал - части от телевизионных трансформаторов.

Другие типы сварочных трансформаторов

СТ кроме специального изготовления можно получить, переоборудовав готовые трансформаторы различного назначения. Мощные трансформаторы подходящего типа применяют для создания сетей с напряжением 36, 40 В, обычно в местах с повышенной пожароопасностью, влажностью и для других нужд. Для этих целей используют разные типы трансформаторов: разных мощностей, включаемых в 220, 380 В по одно или трехфазной схеме.

Надежность сварочного трансформатора

Надежность сварочного аппарата зависит как от конструктивных факторов, так и от режима и условий эксплуатации. Надежные, тщательно изготовленные трансформаторы работают многие годы, без проблем выдерживая непродолжительные перегрузки и изъяны в эксплуатации. Легкие переносные конструкции, с проводами в лаке, да еще развивающие непомерную для себя мощность, как правило, долго не живут. Они постепенно изнашиваются так же, как, например, со временем изнашивается одежда или обувь. Хотя, учитывая значительные объемы выполненных работ и невысокие затраты на их изготовление, это вполне оправдывает их существование. Злейшими врагами СТ являются перегрев и проникновение влаги. Самым действенным средством против перегрева являются надежные обмоточные провода с плотностью тока не более 5-7 А/мм2. Что бы провод быстро охлаждался, он должен иметь хороший контакт с воздухом. Для этого в обмотках делают щели

Сварочный аппарат своими руками

Если мы хотим собрать сварочный аппарат своими руками, нам потребуется очень мощный источник питания для создания и поддержания дуги, который будет преобразовывать сетевое напряжение обеспечения номинальной величины и качества сварочного тока