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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK
Schweißgerät mit Spannungsanhebung und stufenloser Stromanpassung. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Handbuch für Elektriker Den Lesern wird eine Beschreibung einer Schweißmaschine geboten, die einfach herzustellen und zuverlässig im Betrieb ist. Sie können damit sowohl Gleich- als auch Wechselstrom schweißen, und in beiden Fällen ist nicht nur eine schrittweise, sondern auch eine stufenlose Einstellung möglich. Um die Zündung des Lichtbogens zu erleichtern, ist eine Spannungsverstärkung vorgesehen. Heutzutage gibt es auf dem Markt eine große Vielfalt an Schweißgeräten. Tragbare Schweißgeräte (sog. Inverter) arbeiten ausschließlich mit Gleichstrom. Ihre günstigen Modelle, die für den nicht-professionellen Einsatz konzipiert sind, haben eine relativ geringe Leistung und sind nicht zuverlässig genug. Schweißmaschinen an Hochleistungs-Niederfrequenztransformatoren werden hauptsächlich für den industriellen Einsatz hergestellt. Sie haben in der Regel eine hohe Leistung, ein erhebliches Gewicht und große Abmessungen und sind relativ teuer. Darüber hinaus ermöglichen sie einen langen Dauerbetrieb. Der Schweißstrom wird bei solchen Geräten stufenlos oder stufenweise geregelt, indem die Induktivität der Zusatzdrossel oder die Streuinduktivität des Schweißtransformators selbst verändert wird. Die große Masse und der hohe Preis machen den Kauf eines solchen Geräts für den persönlichen (nicht professionellen) Gebrauch unpraktisch. Es gibt auch günstige Schweißgeräte mit geringer Leistung und Niederfrequenztransformatoren im Angebot. An der Bildung der gewünschten Lastkennlinien ist jedoch der Wirkwiderstand der Wicklungen beteiligt. Daher werden solche Schweißgeräte im Betrieb sehr heiß. Viele Leute stellen Schweißtransformatoren selbst her. Hierzu ist lediglich ein geeigneter Magnetkreis und ein Wickeldraht erforderlich. Um jedoch qualitativ hochwertiges Schweißen durchführen zu können, muss ein selbstgebautes Gerät die Möglichkeit bieten, die Stromart (Gleich- oder Wechselstrom) auszuwählen und den Schweißstrom zu regulieren. Um die Lichtbogenzündung bei niedriger Spannung zu erleichtern, ist außerdem eine Spannungsverstärkung im Gerät wünschenswert. Im Folgenden wird ein einfaches und zuverlässiges Schweißgerät mit einem Transformator beschrieben, der auf dem Stator eines asynchronen Drehstrom-Elektromotors basiert und die Erfüllung der oben genannten Anforderungen gewährleistet. Es verfügt über eine Reihe wichtiger Merkmale, die seine Leistung erheblich verbessern und die Komplexität der Herstellung im Vergleich zu den zuvor in der Amateurfunkliteratur und im Internet beschriebenen Merkmalen verringern. Das Schema des Geräts ist in Abb. dargestellt. 1. Netzspannung wird über einen Stufenwiderstand, bestehend aus Drahtwiderständen R1-R4 und Schalter SA1, an die Wicklung I des Schweißtransformators T2 angelegt. Der Knoten, bestehend aus einem Stromwandler T1, einem Gleichrichter an den Dioden VD1, VD2 und einem Messkopf PA1, misst den aus dem Netz aufgenommenen Strom. Die Spannung von der Wicklung II des Transformators T2 wird über den Schalter SA2 und einen Vollweggleichrichter an den Dioden vD5, VD7 und den Trinistoren VS1, VS2 in den Schweißkreis eingespeist.
Der Gleichrichter ist mit dem Schweißstromregler kombiniert. Mit der extrem rechten Position der Schieber der variablen Widerstände R5 und R6 gemäß dem Schema öffnen die Trinistoren VS1 und VS2 bei einem momentanen Spannungswert, der geringfügig von Null an der Wicklung II des Transformators T2 abweicht. In diesem Fall liegt der aktuelle Abschneidewinkel bei etwa 180 Grad. und der Schweißstrom ist maximal. Wenn Sie die Schieberegler dieser Widerstände nach links bewegen, erhöht sich die Öffnungsspannung der Trinistoren VS1 und VS2 und der Stromabschaltwinkel verringert sich auf 90 Grad. Dadurch wird der Schweißstrom im Vergleich zum Maximum um etwa das Doppelte reduziert. Bei einer weiteren Erhöhung des Widerstandswerts der Steuerwiderstände öffnen die Gleichrichter-Trinistoren nicht mehr, sodass die Ausgangsspannung und der Ausgangsstrom gleich Null werden. Der Transistor VT1 dient als Regelstromverstärker. Es kann vom Stromkreis ausgeschlossen werden, dann muss jedoch der Widerstandswert der Widerstände R5 und R6 um etwa das 30-fache reduziert werden. Gleichzeitig werden in einigen Modi mehrere Watt Leistung an den Widerständen R5 und R6 verbraucht. Da es schwierig ist, variable Widerstände mit einer ausreichend großen zulässigen Verlustleistung zu finden, wurde beschlossen, in der Steuerung hochohmige Widerstände mit einem Transistor-Stromverstärker zu verwenden. Zwei in Reihe geschaltete variable Widerstände ermöglichten eine reibungslose Einstellung des Stroms über einen weiten Änderungsbereich. In einigen Schweißgeräten werden Trinistor-Stromregler verwendet, die eine sanfte Änderung des Abschaltwinkels im Bereich von 0 bis 180 Grad ermöglichen, was einer Stromänderung von Null auf Maximum entspricht. Die Ansteuerung der Trinistoren solcher Regler erfolgt in der Regel mit Hilfe kurzer Impulse. Diese Regler sind jedoch komplizierter und arbeiten bei einer Last mit geringem Differenzwiderstand (Schweißlichtbogen oder Ladebatterie) nicht stabil genug. Instabilität äußert sich darin, dass sich bei konstanter Stellung des Reglerknopfes der Ausgangsstrom relativ zu einem bestimmten Durchschnittswert zufällig ändert. Unter diesen Bedingungen arbeiten Regler, bei denen SCRs durch Gleichstrom gesteuert werden, stabiler. Darüber hinaus muss der Schweißstromregler den Schweißstrom regeln, nicht jedoch die Amplitude der Ausgangsspannung des Schweißgeräts. Und wenn Sie den Abschneidewinkel von 90 auf 0 Grad ändern. die Amplitude der Spannungsimpulse am Ausgang des Gleichrichters nimmt ab, was unerwünscht ist, da sich die Bedingungen für die Zündung des Lichtbogens verschlechtern. Um die Grenzen der Stromregelung zu erweitern, ohne den Trinistorregler zu komplizieren, verfügt das Gerät über einen leistungsstarken Stufenwiderstand an den Widerständen R1-R4. Solche Rheostate sind häufig im Sekundärwicklungskreis des Schweißtransformators enthalten. Aber die Reihenschaltung mit der Primärseite bietet mehrere Vorteile. Insbesondere arbeitet der Transformator in diesem Fall mit einer niedrigeren Spannung und erwärmt sich daher weniger. Darüber hinaus ist es in diesem Fall einfacher, einen hochohmigen Draht für die Herstellung von Rheostatwiderständen zu wählen, und als SA1-Schalter können Sie einen typischen Paketschalter für Ströme bis 30 A verwenden. Die Spannungserhöhungsschaltung ist ein Einweggleichrichter auf einer VD3-Diode, in Reihe mit der eine EL1-Glühlampe als Strombegrenzer geschaltet ist. Im Ruhezustand (wenn der Schweißlichtbogen nicht brennt) wird der Kondensator C1 über die Diode VD3 in jeder Stellung des Schalters SA76 auf eine Spannung von ca. 2 V aufgeladen. Da der Widerstand des kalten Glühfadens der Lampe minimal ist, lädt sich der Kondensator C1 schnell auf. Nachdem der Lichtbogen gezündet ist, wird die Spannung am Kondensator C1 kleiner. In diesem Modus wird der durch die VD3-Diode fließende Strom durch den Widerstand der EL1-Lampe begrenzt, der mit der Erwärmung des Glühfadens zunimmt, sodass der Strom im zulässigen Bereich für die Diode bleibt und den Schweißstrom nur geringfügig erhöht. Der Booster ist ein sehr nützliches Gerät. In Abwesenheit und niedriger Leerlaufspannung am Ausgang des Schweißgeräts wird der Lichtbogen nur schwer gezündet, was die Produktivität des Schweißers verringert und ihn sehr ermüdet. Die Erhöhung der Leerlaufspannung ohne Einsatz einer Spannungserhöhung verringert die Effizienz des Schweißgeräts drastisch und erhöht die Belastung des Stromnetzes. Doch in vielen Fällen sind Spannungserhöhungseinheiten zu komplex und in manchen Fällen nicht effektiv genug. In [1] ist dieser Knoten beispielsweise so ausgelegt, dass beim Brennen des Lichtbogens ein ziemlich großer Strom durch die Spannungserhöhungsschaltung fließen kann, der nur durch den aktiven Widerstand der Induktivität begrenzt ist. Um diesen Strom in akzeptablen Grenzen zu halten, wird die Boost-Spannung klein gewählt (10...12 V), was den Wirkungsgrad verringert. Es ist wünschenswert, dass die Spannungsanhebung die Leerlaufspannung auf 80 ... 90 V erhöht. Darüber hinaus ist bei dem in [1] beschriebenen Gerät der Ausgangsstrom im Moment der Lichtbogenzündung durch den induktiven Widerstand des Induktors begrenzt, was seine Bildung zusätzlich erschwert. Die Praxis zeigt, dass der Lichtbogen am besten gezündet wird, wenn am Ausgang des Schweißgleichrichters ein Kondensator installiert ist. Das Ergebnis ist etwas schlechter, wenn der Gleichrichter überhaupt keinen Glättungsfilter hat. Der härteste Lichtbogen wird jedoch gezündet, wenn der Glättungsfilter nur aus einer Drossel besteht oder mit einer Drossel endet. Die Kapazität des Kondensators C1 muss so bemessen sein, dass ein schneller Übergang der Funkenentladung in einen Lichtbogen geringer Leistung gewährleistet ist. Die Praxis zeigt, dass seine Kapazität von 3000 Mikrofarad dafür ausreicht. Ein solcher Kondensator kann den variablen Anteil des Schweißstroms nicht glätten und ist auch nicht erforderlich. Wenn der Schweißlichtbogen brennt, pulsiert die Spannung am Kondensator C1 von Null bis zum Spitzenwert. Daher muss der Kondensator C1 der Spannungswelligkeit mit dieser Amplitude standhalten. Dabei ist zu beachten, dass die zulässige Amplitude der Spannungswelligkeit an Oxidkondensatoren in der Regel 10 ... 20 % ihrer Nennbetriebsspannung nicht überschreitet. Die Frage, welcher Glättungsfilter im Gleichrichter des Schweißgeräts besser zu verwenden ist, ist umstritten. Viele Autoren von Artikeln, die in Zeitschriften und insbesondere im Internet veröffentlicht wurden, sind der Meinung, dass es besser ist, eine Drossel im Gleichrichterfilter eines Schweißgeräts zu verwenden. Es gibt beispielsweise die Meinung, dass sein Vorhandensein verhindert, dass die Elektrode am zu schweißenden Werkstück festklebt. Der Grund für das Festkleben ist jedoch meist die unzureichende Leistung der Schweißstromquelle (oder die Unfähigkeit zum Schweißen). Gleichzeitig schmilzt ein Lichtbogen mit geringer Leistung die Elektrode und das Teil ein wenig, und um einen starken Lichtbogen zu erzeugen, verfügt die Quelle nicht über genügend Leistung. Wenn die Elektrode daher versehentlich das zu schweißende Werkstück berührt, kristallisiert das geschmolzene Metall der Elektrode beim Kontakt mit dem kälteren Werkstück und die Elektrode wird mit dem Werkstück verschweißt. Auch die Drossel kann die Zündung des Lichtbogens nicht erleichtern, da sie im Leerlauf keine Energie in sich speichert. In dem Moment, in dem die Elektrode das Teil berührt, beginnt der Strom von Null anzusteigen und der Induktor beginnt, Energie zu speichern. Zu diesem Zeitpunkt wird die Energie der Quelle nicht zur Erzeugung einer Bogenentladung genutzt, sondern im Magnetfeld des Induktors akkumuliert. In den Beschreibungen von Schweißmaschinen, deren Transformatoren auf der Basis von Asynchron-Elektromotoren hergestellt werden, wird üblicherweise empfohlen, die an der Außenseite des Statorplattenpakets befindlichen Abdeckstreifen und die Vorsprünge an der Innenseite dieser Platten zu entfernen. Gleichzeitig wird der fertige Transformator wie Kleinleistungstransformatoren mit Ringkernmagnetkreisen in das Gehäuse der Schweißmaschine eingebaut. Allerdings hat der Schweißtransformator eine große Masse und kann im Betrieb sehr heiß werden. Das Gewicht des Transformators übt bei dieser Montage Druck auf die Isolierung der Wicklungsdrähte aus, was zu Beschädigungen und Windungskurzschlüssen führen kann. Dieses Problem ist besonders ausgeprägt, wenn die Isolierung der Drähte nicht ausreichend hitzebeständig ist. Das Entfernen von Deckbandstreifen und Vorsprüngen von Statorplatten ist ein sehr mühsamer und nicht nur nutzloser, sondern sogar schädlicher Vorgang. Es wird jedoch davon ausgegangen, dass die Abdeckstreifen entfernt werden sollten, damit sie die Statorplatten nicht kurzschließen. Das Entfernen von Vorsprüngen ist überhaupt nicht gerechtfertigt. Vielleicht tun sie dies, um die Fläche des Magnetkreisfensters zu vergrößern oder den Drahtverbrauch leicht zu reduzieren. Tatsache ist jedoch, dass die Größe des Magnetkreisfensters in der Regel völlig ausreichend ist und die Drahteinsparungen sehr gering sind. Die Vorsprünge der Platten und der Bandage werden üblicherweise mit Meißel und Hammer entfernt. Nach einer solchen Entfernung bilden sich viele elektrische Kontaktpunkte zwischen den Platten, die Wege für Wirbelströme im Magnetkreis schaffen können. Der magnetische Fluss im ringförmigen Teil des Magnetkreises von Elektromotor und Transformator fließt parallel zu den Deckbandstreifen, ohne diese zu kreuzen, und kann in ihnen keine Wirbelströme erzeugen. Der einzige Unterschied besteht darin, dass im Motorstator der Fluss in zwei Hälften geteilt ist, die in diametral gegenüberliegenden Abschnitten des ringförmigen Magnetkreises in eine Richtung fließen, und im Transformator ein einziger Fluss durch den Ring fließt. Daher ist der wirksame Querschnitt desselben Magnetkreises im Transformator etwa doppelt so gering wie im Motor und die durchschnittliche Länge der Stromleitung ist größer. Dadurch ist die erforderliche Windungszahl der Transformatorwicklung bei gleicher Spannung größer als die der Motorwicklung. Es ist besser, es experimentell zu bestimmen. Der Aufbau des Magnetkreises des Transformators des vorgeschlagenen Schweißgeräts ist in Abb. dargestellt. 2. Die Streifen und Vorsprünge der Statorplatten bleiben an Ort und Stelle. Damit die Windungen der Wicklungen nicht zwischen die Vorsprünge der Statorplatten fallen, sind an den Enden ihres Pakets 5 zwei ringförmige Platten 3 befestigt. Zwischen den Vorsprüngen der Statorplatten befinden sich vier von den Statorplatten isolierte Bolzen 4 (Es werden Dichtungen verwendet, die im Elektromotor zur Isolierung der Wicklungen verwendet wurden). Die Bolzen werden in Pfosten 2 mit Innengewinde eingeschraubt, die auf einem Holzsockel 1 befestigt sind. Daher wird die Last aus dem Gewicht des Transformators nur über die Pfosten 1 und nicht über die Isolierung der Drähte auf den Sockel 2 übertragen. Dadurch können Sie die maximal zulässige Betriebstemperatur des Transformators erhöhen, ohne dass die Gefahr einer Verformung der Drahtisolierung und von Kurzschlüssen besteht.
Im oberen Teil des Magnetkreises sind an zwei der vier das Paket festziehenden Bolzen 4 Klammern 6 mit einem Griff 7 aus nichtmagnetischem Material (z. B. Aluminium) befestigt. Es ist wünschenswert, sowohl die Halterungen 6 als auch die Zahnstangen 2 aus dem gleichen Material herzustellen, es besteht jedoch kein großer Bedarf dafür. Um mehr Platz für die Wicklung zu lassen, können Sie nur drei Noppen verwenden und diese (in der Draufsicht) an den Spitzen eines gleichseitigen Dreiecks platzieren, müssen dann aber das Design des Griffs ändern. Als eigentlicher Magnetkreis wurde der Stator eines Asynchronmotors mit einer Leistung von 7,5 kW verwendet. Die Wicklung I besteht aus 305 Windungen Aluminiumdraht mit einem Querschnitt von 4 mm2 in feuerfester Kunststoffisolierung. Wicklung II ist mit zwei zusammengefalteten APV-10-Aluminiumdrähten mit einem Querschnitt von 10 mm gewickelt2 jeden. Es enthält 77 Runden. Die Anzapfungen erfolgen ab der 48., 58. und 69. Windung. Um die erforderliche Windungszahl zu ermitteln, wurde eine Testwicklung auf den Magnetkreis gewickelt und deren Induktivität gemessen. Die Anzahl der Wicklungswindungen I wurde dann berechnet, um einen induktiven Blindwiderstand von 220 Ohm bei einer Frequenz von 50 Hz zu erhalten. Als Ergebnis stellte sich heraus, dass der Leerlaufstrom des Transformators etwa 1 A betrug. Anschließend wurde anhand des erforderlichen Übersetzungsverhältnisses die Windungszahl der Wicklung II berechnet. Der Stromtransformator T1 basiert auf dem Magnetkreis des Vertikalscan-Ausgangstransformators TVK-110. Seine Primärwicklung besteht aus einer Windung eines Montagedrahtes mit einem Querschnitt von 2,5 mm2. Die Sekundärwicklung enthält 100 Windungen PEV-2-Draht mit einem Durchmesser von 0,5 mm. Wird als Messkopf PA1 ein Zeiger-Avometer mit einer Messgrenze von 0,5 A verwendet, so weicht dessen Zeiger bei einem Strom von 100 A durch die I-Wicklung vollständig aus. Dadurch stößt der Zeiger eines Gerätes mit geringem Gesamtausschlagstrom häufig gegen die Anschläge, was zu einem schnellen Ausfall des Messwerks führt. Die Strommesseinheit lässt sich problemlos auf den Wicklungskreis II des Transformators T2 übertragen. Dafür besteht aber kein großer Bedarf. Das Übersetzungsverhältnis ist bekannt und bei Kenntnis des Wicklungsstroms I lässt sich jederzeit der Wert des Schweißstroms berechnen. Die Widerstände R1-R4 des Rheostaten bestehen aus drei Nichromdrähten, die aus einer 2-kW-Elektroheizspirale zusammengesetzt sind. Diese Widerstände können während des Betriebs des Schweißgeräts sehr heiß werden, daher werden sie auf einer hitzebeständigen Basis aus feuerfesten Leichtsteinen mit Löchern installiert, durch die Nichromdrähte geführt werden. Um den Rheostat kompakter zu machen, können Sie den Ziegel in zwei Teile schneiden und nur eine Hälfte verwenden. Anstelle eines Rheostats können Sie auch eine Drossel mit mehreren Anzapfungen aus der Wicklung verwenden. Aber Masse und Abmessungen des Induktors sind viel größer als die eines Rheostaten aus Ziegel und Nichromdraht. Ob es sinnvoll ist, den Schweißstrom mit einer Drossel zu regulieren, hängt von mehreren Umständen ab. Beispielsweise reduziert die Drossel bei umfangreichen Schweißarbeiten den Stromverbrauch und damit die Kosten, da die von ihr abgegebene Wirkleistung vernachlässigbar ist. Wenn mit Wechselstrom geschweißt werden muss, sollte der Schweißstromkreis in den Drahtbruch am Punkt A einbezogen werden (siehe Abb. 1). In diesem Fall müssen die Anschlüsse des Kondensators C1 mit einer Brücke verschlossen werden, die dem Schweißstrom ohne merkliche Erwärmung standhält. In diesem Fall funktioniert der Stromregler wie gewohnt, es erfolgt jedoch keine Spannungsanhebung. Vor der Durchführung von Schweißarbeiten wird empfohlen, die Betriebsart des Schweißgeräts in der folgenden Reihenfolge einzustellen. Abhängig von der erforderlichen Leistung des Schweißlichtbogens stellen Sie zunächst mit dem Schalter SA2 die erforderliche Ausgangsspannung ein und bewegen die Schieber der variablen Widerstände R5 und R6 in die rechte Position (gemäß Diagramm). Anschließend sollten Sie den Schalter SA1 in die gewünschte Position bringen und, ohne das Gerät einzuschalten, die Anschlüsse des Kondensators C1 mit einer Brücke verbinden. Nachdem Sie das Gerät mit den variablen Widerständen R5 und R6 an das Netzwerk angeschlossen haben, stellen Sie den Kurzschlussstrom auf 30 ... 50 % mehr als den erforderlichen Schweißstrom ein. Der Kurzschlussmodus sollte kurzfristig sein, nicht länger als 2 ... 3 s. Danach sollten Sie das Gerät vom Netzwerk trennen und die Brücke von den Anschlüssen des Kondensators C1 entfernen. Jetzt können Sie die Maschine wieder einschalten und mit dem Schweißen beginnen. Zukünftig können Sie mit den variablen Widerständen R5 und R6 bei Bedarf den Strom einstellen. Typische Schweißmodi für verschiedene Teile sind in der Fachliteratur aufgeführt. Der im beschriebenen Schweißgerät verwendete Trinistorregler ähnelt hinsichtlich der Ausgangsstromstabilität dem beispielsweise in [2] beschriebenen, die Schaltung ist jedoch deutlich einfacher. Dies liegt daran, dass kein zusätzlicher Gleichrichter zur Versorgung des Steuerelektrodenkreises des Trinistors vorhanden ist. Es kann jedoch eingeführt werden, indem eine Schweißmaschine nach dem in Abb. gezeigten Schema gebaut wird. 3. Die Zusatzwicklung III des Transformators T2 muss 10 Windungen Montagedraht mit einem Querschnitt von 1,5 mm enthalten2 (für mechanische Festigkeit). In diesem Fall beträgt die gleichgerichtete Spannung am Widerstand R5, geglättet durch den Kondensator C1, etwa 10 V. Der Strom der Steuerelektroden der Trinistoren wird je nach Stellung des variablen Widerstands R5 nicht pulsierend, sondern konstant Motor.
Literatur
Autor: A. Sergejew
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