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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA
Saldatrice con boost di tensione e regolazione graduale della corrente. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Manuale dell'elettricista Ai lettori viene offerta una descrizione di una saldatrice facile da produrre e affidabile nel funzionamento. Ti consente di saldare sia con corrente continua che alternata e in entrambi i casi può non solo essere regolato a gradini, ma anche regolato in modo fluido. Per facilitare l'accensione dell'arco è previsto un amplificatore di tensione. Oggi c'è un numero enorme di diverse saldatrici in vendita. Le saldatrici portatili (i cosiddetti inverter) funzionano solo con corrente continua. I loro modelli economici, destinati ad un uso non professionale, hanno una potenza relativamente bassa e non sono sufficientemente affidabili. Le saldatrici che utilizzano trasformatori a bassa frequenza ad alta potenza sono prodotte principalmente per uso industriale. Di solito hanno potenza elevata, peso e dimensioni significativi e sono relativamente costosi. Inoltre, consentono un funzionamento continuo a lungo termine. La corrente di saldatura in tali macchine viene regolata in modo fluido o graduale modificando l'induttanza dell'induttanza aggiuntiva o l'induttanza di dispersione del trasformatore di saldatura stesso. La grande massa e il prezzo elevato rendono poco pratico l'acquisto di un dispositivo del genere per uso personale (non professionale). Sono in vendita anche saldatrici economiche a bassa potenza su trasformatori a bassa frequenza. Ma la resistenza attiva degli avvolgimenti partecipa alla formazione delle caratteristiche di carico richieste. Pertanto, tali saldatrici diventano molto calde durante il funzionamento. Molte persone realizzano autonomamente i trasformatori di saldatura. A questo scopo sono necessari soltanto un nucleo magnetico e un filo di avvolgimento adeguati. Ma per eseguire saldature di alta qualità, una macchina fatta in casa deve offrire la possibilità di selezionare il tipo di corrente (continua o alternata) e regolare la corrente di saldatura. Inoltre, per facilitare l'innesco dell'arco a bassa tensione, è consigliabile avere nell'apparecchio un survoltore. Di seguito è riportata una descrizione di una saldatrice semplice e affidabile con un trasformatore basato sullo statore di un motore elettrico asincrono trifase e che garantisce il rispetto dei requisiti di cui sopra. Ha una serie di caratteristiche significative che migliorano significativamente le sue prestazioni e riducono la complessità della produzione rispetto a quelle precedentemente descritte nella letteratura radioamatoriale e su Internet. Lo schema dell'apparato è mostrato in Fig. 1. La tensione di rete viene fornita all'avvolgimento I del trasformatore di saldatura T1 attraverso un reostato a gradini, costituito da resistori a filo R4-R1 e interruttore SA2. L'unità, composta da un trasformatore di corrente T1, un raddrizzatore a diodi VD1, VD2 e una testa di misurazione PA1, misura la corrente consumata dalla rete. La tensione dall'avvolgimento II del trasformatore T2 attraverso l'interruttore SA2 e un raddrizzatore a onda intera sui diodi vD5, VD7 e tiristori VS1, VS2 viene fornita al circuito di saldatura.
Il raddrizzatore è abbinato ad un regolatore della corrente di saldatura. Quando i motori a resistenza variabile R5 e R6 si trovano nella posizione estrema destra nel diagramma, i tiristori VS1 e VS2 si aprono quando il valore della tensione istantanea sull'avvolgimento II del trasformatore T2 è leggermente diverso da zero. In questo caso, l'angolo di taglio corrente è vicino a 180 gradi. e la corrente di saldatura è massima. Quando i cursori di questi resistori vengono spostati verso sinistra, la tensione di apertura degli SCR VS1 e VS2 aumenta e l'angolo di interruzione della corrente diminuisce a 90 gradi. Di conseguenza, la corrente di saldatura viene ridotta di circa la metà del massimo. Con un ulteriore aumento della resistenza dei resistori di controllo, gli SCR del raddrizzatore smettono di aprirsi, quindi la tensione e la corrente di uscita diventano zero. Il transistor VT1 funge da amplificatore di corrente di controllo. Può essere escluso dal circuito, ma la resistenza dei resistori R5 e R6 dovrà essere ridotta di circa 30 volte. In questo caso, i resistori R5 e R6 dissiperanno diversi watt di potenza in alcune modalità. È difficile trovare resistori variabili con una dissipazione di potenza consentita sufficientemente ampia, quindi si è deciso di utilizzare resistori ad alta resistenza con un amplificatore di corrente a transistor nel regolatore. Due resistori variabili collegati in serie hanno permesso di fornire una regolazione uniforme della corrente su un'ampia gamma di variazioni. Alcune saldatrici utilizzano regolatori di corrente a tiristori, che forniscono una variazione graduale dell'angolo di interruzione nell'intervallo da 0 a 180 gradi, che corrisponde a una variazione della corrente da zero al massimo. Gli SCR in tali regolatori vengono controllati, di norma, utilizzando brevi impulsi. Ma questi regolatori sono più complessi e non funzionano in modo sufficientemente stabile per un carico con bassa resistenza differenziale (un arco di saldatura o una batteria in carica). L'instabilità si manifesta nel fatto che quando la posizione della manopola del regolatore rimane invariata, la corrente di uscita cambia in modo caotico rispetto al valore medio specificato. I regolatori in cui i tiristori controllano la corrente continua funzionano in modo più stabile in queste condizioni. Inoltre, il regolatore della corrente di saldatura deve regolare la corrente di saldatura, ma non l'ampiezza della tensione di uscita della saldatrice. E quando l'angolo di taglio cambia da 90 a 0 gradi. l'ampiezza degli impulsi di tensione all'uscita del raddrizzatore diminuisce, il che è indesiderabile, poiché le condizioni per l'accensione dell'arco peggiorano. Per espandere i limiti della regolazione corrente senza complicare il regolatore a tiristori, il dispositivo è dotato di un potente reostato a gradini sui resistori R1-R4. Tali reostati sono spesso inclusi nel circuito dell'avvolgimento secondario di un trasformatore di saldatura. Ma collegarlo in serie con l'avvolgimento primario offre numerosi vantaggi. In particolare, il trasformatore in questo caso funziona a una tensione inferiore, quindi si riscalda meno. Inoltre, in questo caso, è più semplice selezionare un filo ad alta resistenza per la produzione di resistori reostati e come interruttore SA1 è possibile utilizzare un interruttore di pacchetto standard per una corrente fino a 30 A. Il circuito booster di tensione è un raddrizzatore a semionda basato su un diodo VD3, in serie al quale è collegata una lampada a incandescenza EL1 come limitatore di corrente. In modalità di riposo (quando l'arco di saldatura non è acceso), il condensatore C1 viene caricato tramite il diodo VD3 ad una tensione di circa 76 V in qualsiasi posizione dell'interruttore SA2. Poiché la resistenza del filamento freddo della lampada è minima, il condensatore C1 si carica rapidamente. Dopo che l'arco si è acceso, la tensione sul condensatore C1 diminuisce. In questa modalità, la corrente che scorre attraverso il diodo VD3 è limitata dalla resistenza della lampada EL1, che aumenta man mano che il filamento si riscalda, quindi la corrente rimane entro i limiti consentiti per il diodo e aumenta solo leggermente la corrente di saldatura. Un amplificatore di tensione è un dispositivo molto utile. In sua assenza e con una bassa tensione a circuito aperto all'uscita della saldatrice, l'arco si accende con difficoltà, il che riduce la produttività del saldatore e lo stanca notevolmente. L'aumento della tensione a vuoto senza l'utilizzo di un amplificatore di tensione riduce drasticamente l'efficienza della saldatrice e aumenta il carico sulla rete elettrica. Ma in molti casi gli amplificatori di tensione sono troppo complessi e in alcuni casi non abbastanza efficaci. Ad esempio, in [1], questa unità è progettata in modo tale che quando un arco brucia, una corrente abbastanza grande può fluire attraverso il circuito booster di tensione, limitata solo dalla resistenza attiva dell'induttore. Per mantenere questa corrente entro limiti accettabili, la tensione di boost viene scelta su un valore basso (10...12 V), il che ne riduce l'efficienza. È auspicabile che l'amplificatore di tensione aumenti la tensione a vuoto a 80...90 V. Inoltre, nel dispositivo descritto in [1], la corrente in uscita al momento dell'innesco dell'arco è limitata dalla reattanza induttiva dell'induttore, il che ne complica ulteriormente la realizzazione. La pratica dimostra che l'arco si accende meglio quando un condensatore è installato all'uscita del raddrizzatore di saldatura. Il risultato è leggermente peggiore quando il raddrizzatore non ha alcun filtro anti-aliasing. Ma è molto difficile che l'arco si accenda se il filtro livellatore è costituito solo da un'induttanza o termina con un'induttanza. La capacità del condensatore C1 deve essere tale da garantire la rapida transizione della scarica della scintilla in un arco a bassa potenza. La pratica dimostra che a questo scopo è sufficiente una capacità di 3000 μF. Un tale condensatore non può appianare la componente alternata della corrente di saldatura e non è necessario. Quando l'arco di saldatura brucia, la tensione sul condensatore C1 pulsa da zero al valore di ampiezza. Pertanto, il condensatore C1 deve resistere a un'ondulazione di tensione di tale ampiezza. Va tenuto presente che l'ampiezza ammissibile delle ondulazioni di tensione sui condensatori all'ossido di solito non supera il 10...20% della tensione operativa nominale. La questione su quale filtro di livellamento sia meglio utilizzare nel raddrizzatore di una saldatrice è discutibile. Molti autori di articoli pubblicati su riviste e soprattutto su Internet ritengono che sia meglio utilizzare uno starter nel filtro raddrizzatore di una saldatrice. Ad esempio, si ritiene che la sua presenza impedisca all'elettrodo di aderire alla parte da saldare. Ma il motivo dell'adesione è solitamente la potenza insufficiente della fonte di alimentazione della saldatura (o l'impossibilità di eseguire la saldatura). In questo caso, un arco a bassa potenza fonde leggermente l'elettrodo e la parte e per creare un arco potente la sorgente non ha potenza sufficiente. Di conseguenza, se l'elettrodo tocca accidentalmente la parte da saldare, il metallo fuso dell'elettrodo cristallizza a contatto con una parte più fredda e l'elettrodo viene saldato alla parte. L'acceleratore non può facilitare l'accensione dell'arco perché in modalità di riposo non immagazzina energia. Nel momento in cui l'elettrodo tocca la parte, la corrente inizia ad aumentare da zero e l'induttore inizia ad immagazzinare energia. In questo momento, l'energia della sorgente non viene utilizzata per creare una scarica ad arco, ma si accumula nel campo magnetico dell'induttore. Nelle descrizioni delle saldatrici i cui trasformatori sono realizzati sulla base di motori elettrici asincroni, si consiglia solitamente di rimuovere le strisce di benda situate all'esterno del pacco di piastre dello statore e le sporgenze all'interno di queste piastre. In questo caso il trasformatore finito viene montato nel corpo della saldatrice, in modo simile ai trasformatori a bassa potenza con nuclei magnetici toroidali. Ma il trasformatore di saldatura ha una massa elevata e durante il funzionamento può diventare molto caldo. Il peso del trasformatore con tale montaggio esercita pressione sull'isolamento dei fili dell'avvolgimento, il che può causare danni e cortocircuiti tra le spire. Questo problema è particolarmente pronunciato quando l'isolamento del filo non è sufficientemente resistente al calore. La rimozione delle fascette e delle sporgenze delle piastre dello statore è un'operazione molto laboriosa e non solo inutile, ma addirittura dannosa. Tuttavia, si ritiene che le strisce di fascettatura debbano essere rimosse in modo che non mettano in cortocircuito le piastre dello statore. Non vi è alcuna giustificazione per rimuovere le sporgenze. Forse questo viene fatto per aumentare l'area della finestra del circuito magnetico o per ridurre leggermente il consumo di filo. Ma il fatto è che la dimensione della finestra del circuito magnetico è, di regola, abbastanza sufficiente e il risparmio di filo è molto ridotto. Le sporgenze delle piastre e la benda vengono solitamente rimosse utilizzando scalpello e martello. Dopo questa rimozione si formano tra le piastre molti punti di contatto elettrico che possono creare percorsi per correnti parassite nel circuito magnetico. Il flusso magnetico nella parte anulare del nucleo magnetico del motore elettrico e del trasformatore scorre parallelamente alle strisce di benda, senza attraversarle, e non può creare correnti parassite in esse. L'unica differenza è che nello statore del motore il flusso è diviso in due metà, scorrendo in sezioni diametralmente opposte del circuito magnetico dell'anello in una direzione, mentre in un trasformatore un unico flusso scorre lungo l'anello. Pertanto, la sezione trasversale effettiva dello stesso circuito magnetico in un trasformatore è circa due volte inferiore a quella di un motore e la lunghezza media della linea elettrica è maggiore. Di conseguenza, il numero di spire richiesto dell'avvolgimento del trasformatore è maggiore di quello dell'avvolgimento del motore per la stessa tensione. È meglio determinarlo sperimentalmente. Il design del nucleo magnetico del trasformatore della saldatrice proposta è mostrato in Fig. 2. Le strisce di fascettatura e le linguette della piastra dello statore vengono lasciate in posizione. Per evitare che le spire degli avvolgimenti cadano tra le sporgenze delle piastre dello statore, due piastre anulari 5 sono fissate alle estremità del loro pacco 3. Tra le sporgenze delle piastre dello statore ci sono quattro prigionieri 4, isolati dalle piastre dello statore ( vengono utilizzate le guarnizioni che venivano utilizzate nel motore elettrico per isolare gli avvolgimenti). I perni sono avvitati nelle cremagliere 2 con filettatura interna, fissate alla base di legno 1. Pertanto, il carico derivante dal peso del trasformatore viene trasferito alla base 1 solo attraverso le cremagliere 2 e non attraverso l'isolamento dei fili. Ciò consente di aumentare la temperatura operativa massima consentita del trasformatore senza il rischio di deformazione dell'isolamento del filo e cortocircuiti.
Nella parte superiore del circuito magnetico, le staffe 4 con una maniglia 6 in materiale non magnetico (ad esempio alluminio) sono fissate a due dei quattro prigionieri 7 che stringono la confezione. Si consiglia di realizzare sia le staffe 6 che le cremagliere 2 con lo stesso materiale, ma non ce n'è grande necessità. Per lasciare più spazio alla carica, potete utilizzare solo tre borchie, posizionandole (nella vista dall'alto) ai vertici di un triangolo equilatero, ma poi dovrete modificare il disegno della maniglia. Lo statore di un motore asincrono con una potenza di 7,5 kW viene utilizzato come circuito magnetico stesso. L'avvolgimento I è costituito da 305 spire di filo di alluminio con una sezione trasversale di 4 mm2 nell'isolamento plastico refrattario. L'avvolgimento II è avvolto da due fili di alluminio APV-10 con una sezione trasversale di 10 mm piegati insieme2 ogni. Contiene 77 giri. I rubinetti vengono effettuati a partire dai giri 48, 58 e 69. Per determinare il numero di spire richiesto, un avvolgimento di prova è stato avvolto sul nucleo magnetico e ne è stata misurata l'induttanza. È stato quindi calcolato il numero di spire dell'avvolgimento I per ottenere una reattanza induttiva di 220 ohm alla frequenza di 50 Hz. Di conseguenza, la corrente a vuoto del trasformatore era di circa 1 A. Quindi, in base al rapporto di trasformazione richiesto, è stato calcolato il numero di spire dell'avvolgimento II. Il trasformatore di corrente T1 è realizzato su un nucleo magnetico dal trasformatore di scansione verticale di uscita TVK-110. Il suo avvolgimento primario è un giro di filo di montaggio con una sezione trasversale di 2,5 mm2. L'avvolgimento secondario contiene 100 spire di filo PEV-2 con un diametro di 0,5 mm. Se si utilizza un avometro a lancetta come testa di misura PA1 con un limite di misurazione di 0,5 A, il suo ago verrà completamente deviato con una corrente di 100 A attraverso l'avvolgimento I. Tale margine di corrente di deviazione totale è necessario perché durante il processo di saldatura la corrente misurata è continua e presenta variazioni repentine. Di conseguenza, l'ago di un dispositivo con una corrente di deflessione totale bassa spesso colpisce gli arresti, il che porta a un rapido guasto del meccanismo di misurazione. L'unità di misura della corrente può essere facilmente trasferita al circuito dell'avvolgimento II del trasformatore T2. Ma non ce n’è un grande bisogno. Il rapporto di trasformazione è noto e conoscendo la corrente nell'avvolgimento I è sempre possibile calcolare il valore della corrente di saldatura. I resistori R1-R4 del reostato sono costituiti da tre fili di nicromo piegati insieme da una bobina di riscaldamento elettrico da 2 kW. Questi resistori possono diventare molto caldi quando la saldatrice è in funzione, quindi sono installati su una base resistente al calore realizzata in mattoni leggeri ignifughi con fori attraverso i quali passano i fili di nicromo. Per rendere il reostato più compatto potete tagliare il mattoncino in due parti e utilizzarne solo la metà. Invece di un reostato, puoi utilizzare uno starter con diversi rubinetti dall'avvolgimento. Ma la massa e le dimensioni dell'induttore sono molto più grandi di quelle di un reostato fatto di mattoni e filo di nicromo. La fattibilità della regolazione della corrente di saldatura con un'induttanza dipende da diverse circostanze. Ad esempio, quando si eseguono grandi volumi di lavori di saldatura, lo starter ridurrà il consumo di energia e, di conseguenza, il suo costo, poiché la potenza attiva da esso dissipata è insignificante. Se è necessario saldare con corrente alternata, il circuito di saldatura deve essere collegato alla rottura del filo nel punto A (vedi Fig. 1). In questo caso i terminali del condensatore C1 devono essere chiusi con un ponticello in grado di sopportare la corrente di saldatura senza un notevole riscaldamento. In questo caso, il regolatore di corrente funziona normalmente, ma non c'è alcun aumento di tensione. Prima di eseguire lavori di saldatura, si consiglia di impostare la modalità operativa della saldatrice nel seguente ordine. Innanzitutto, a seconda della potenza richiesta dell'arco di saldatura, impostare la tensione di uscita richiesta con l'interruttore SA2 e spostare i cursori dei resistori variabili R5 e R6 nella posizione destra (secondo lo schema). Quindi dovresti mettere l'interruttore SA1 nella posizione desiderata e, senza accendere il dispositivo, collegare i terminali del condensatore C1 con un ponticello. Dopo aver collegato il dispositivo alla rete, utilizzare i resistori variabili R5 e R6 per impostare la corrente di cortocircuito sul 30...50% in più rispetto alla corrente di saldatura richiesta. La modalità di cortocircuito deve essere di breve durata, non più di 2...3 s, dopodiché il dispositivo deve essere disconnesso dalla rete e il ponticello deve essere rimosso dai terminali del condensatore C1. Ora puoi riaccendere la macchina e iniziare a saldare. In futuro, la corrente può essere regolata, se necessario, utilizzando i resistori variabili R5 e R6. Le modalità di saldatura tipiche per varie parti sono fornite nella letteratura specializzata. Il regolatore a tiristori utilizzato nella saldatrice descritta è simile in termini di stabilità della corrente di uscita a quello descritto, ad esempio, in [2], ma il circuito è notevolmente più semplice. Ciò è dovuto al fatto che non dispone di un raddrizzatore aggiuntivo per alimentare il circuito dell'elettrodo di controllo SCR. Ma può essere introdotto costruendo una saldatrice secondo lo schema mostrato in Fig. 3. L'avvolgimento aggiuntivo III del trasformatore T2 deve contenere 10 spire di filo di montaggio con una sezione di 1,5 mm2 (per resistenza meccanica). In questo caso, la tensione raddrizzata sul resistore R5, livellata dal condensatore C1, sarà di circa 10 V. La corrente degli elettrodi di controllo dei tiristori non sarà pulsante, ma costante, a seconda della posizione del cursore del resistore variabile R5.
Letteratura
Autore: A. Sergeev
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