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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA
Máquina de soldar con refuerzo de tensión y ajuste suave de corriente. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Manual del electricista Se ofrece a los lectores una descripción de una máquina de soldar que es fácil de fabricar y de funcionamiento confiable. Permite soldar tanto con corriente continua como con corriente alterna, y en ambos casos no solo se puede escalonar, sino también ajustar suavemente. Para facilitar el encendido del arco, se proporciona un amplificador de voltaje. Hoy en día hay a la venta una gran cantidad de máquinas de soldar diferentes. Las máquinas de soldar portátiles (las llamadas inversores) funcionan únicamente con corriente continua. Sus modelos económicos, destinados a un uso no profesional, tienen una potencia relativamente baja y no son lo suficientemente fiables. Las máquinas de soldar que utilizan transformadores de alta potencia y baja frecuencia se fabrican principalmente para uso industrial. Suelen tener gran potencia, peso y dimensiones importantes y son relativamente caros. Además, permiten un funcionamiento continuo a largo plazo. La corriente de soldadura en tales máquinas se regula de manera suave o gradual cambiando la inductancia del estrangulador adicional o la inductancia de fuga del propio transformador de soldadura. La gran masa y el alto precio hacen que la compra de un dispositivo de este tipo para uso personal (no profesional) sea poco práctica. También se venden máquinas de soldar económicas de baja potencia con transformadores de baja frecuencia. Pero la resistencia activa de los devanados interviene en la formación de las características de carga requeridas. Por lo tanto, dichas máquinas de soldar se calientan mucho durante el funcionamiento. Mucha gente fabrica ellos mismos transformadores de soldadura. Para ello sólo se necesita un núcleo magnético y un cable de bobinado adecuados. Pero para realizar una soldadura de alta calidad, una máquina casera debe permitir la posibilidad de seleccionar el tipo de corriente (continua o alterna) y regular la corriente de soldadura. Además, para facilitar el encendido del arco a baja tensión, es recomendable disponer de un amplificador de tensión en el aparato. A continuación se describe una máquina de soldar simple y confiable con un transformador basado en el estator de un motor eléctrico trifásico asíncrono y que garantiza el cumplimiento de los requisitos anteriores. Tiene una serie de características importantes que mejoran significativamente su rendimiento y reducen la complejidad de la fabricación en comparación con las descritas anteriormente en la literatura de radioaficionados y en Internet. El diagrama del aparato se muestra en la Fig. 1. La tensión de red se suministra al devanado I del transformador de soldadura T1 a través de un reóstato escalonado, que consta de resistencias de alambre R4-R1 y un interruptor SA2. La unidad, compuesta por un transformador de corriente T1, un rectificador de diodos VD1, VD2 y un cabezal de medición PA1, mide la corriente consumida de la red. El voltaje del devanado II del transformador T2 a través del interruptor SA2 y un rectificador de onda completa en diodos vD5, VD7 y tiristores VS1, VS2 se suministra al circuito de soldadura.
El rectificador se combina con un regulador de corriente de soldadura. Cuando los motores de resistencia variable R5 y R6 están en la posición extrema derecha en el diagrama, los tiristores VS1 y VS2 se abren cuando el valor de voltaje instantáneo en el devanado II del transformador T2 es ligeramente diferente de cero. En este caso, el ángulo de corte actual es cercano a 180 grados. y la corriente de soldadura es máxima. Cuando los controles deslizantes de estas resistencias se mueven hacia la izquierda, el voltaje de apertura de los SCR VS1 y VS2 aumenta y el ángulo de corte de corriente disminuye a 90 grados. Como resultado, la corriente de soldadura se reduce aproximadamente a la mitad del máximo. Con un aumento adicional en la resistencia de las resistencias de control, los SCR del rectificador dejan de abrirse, por lo que el voltaje y la corriente de salida se vuelven cero. El transistor VT1 sirve como amplificador de corriente de control. Se puede excluir del circuito, pero luego la resistencia de las resistencias R5 y R6 deberá reducirse aproximadamente 30 veces. En este caso, las resistencias R5 y R6 disiparán varios vatios de potencia en algunos modos. Es difícil encontrar resistencias variables con una disipación de potencia permitida suficientemente grande, por lo que se decidió utilizar resistencias de alta resistencia con un amplificador de corriente de transistor en el regulador. Dos resistencias variables conectadas en serie permitieron regular suavemente la corriente en una amplia gama de cambios. Algunas máquinas de soldar utilizan reguladores de corriente de tiristores, que proporcionan un cambio suave en el ángulo de corte en el rango de 0 a 180 grados, lo que corresponde a un cambio de corriente de cero al máximo. Los SCR en estos reguladores se controlan, por regla general, mediante impulsos cortos. Pero estos reguladores son más complejos y no funcionan de manera suficientemente estable para una carga con baja resistencia diferencial (un arco de soldadura o una batería en carga). La inestabilidad se manifiesta en el hecho de que cuando la posición de la perilla reguladora permanece sin cambios, la corriente de salida cambia caóticamente en relación con el valor promedio especificado. Los reguladores en los que los tiristores controlan la corriente continua funcionan de manera más estable en estas condiciones. Además, el regulador de corriente de soldadura debe regular la corriente de soldadura, pero no la amplitud de la tensión de salida de la máquina de soldar. Y cuando el ángulo de corte cambia de 90 a 0 grados. la amplitud de los pulsos de voltaje en la salida del rectificador disminuye, lo cual es indeseable, ya que las condiciones para la ignición del arco empeoran. Para ampliar los límites de la regulación actual sin complicar el regulador de tiristores, el dispositivo está equipado con un potente reóstato escalonado con resistencias R1-R4. Estos reóstatos suelen incluirse en el circuito del devanado secundario de un transformador de soldadura. Pero conectarlo en serie con el devanado primario ofrece varias ventajas. En particular, el transformador en este caso funciona a un voltaje más bajo, por lo que se calienta menos. Además, en este caso, es más fácil seleccionar un cable de alta resistencia para la fabricación de resistencias de reóstato, y como interruptor SA1 se puede utilizar un interruptor de paquete estándar para una corriente de hasta 30 A. El circuito amplificador de tensión es un rectificador de media onda basado en un diodo VD3, en serie con el que se conecta una lámpara incandescente EL1 como limitador de corriente. En modo inactivo (cuando el arco de soldadura no está encendido), el condensador C1 se carga a través del diodo VD3 a un voltaje de aproximadamente 76 V en cualquier posición del interruptor SA2. Dado que la resistencia del filamento frío de la lámpara es mínima, el condensador C1 se carga rápidamente. Después de que se enciende el arco, el voltaje a través del capacitor C1 disminuye. En este modo, la corriente que fluye a través del diodo VD3 está limitada por la resistencia de la lámpara EL1, que aumenta a medida que se calienta el filamento, por lo que la corriente permanece dentro de los límites permitidos para el diodo y solo aumenta ligeramente la corriente de soldadura. Un amplificador de voltaje es un dispositivo muy útil. En su ausencia y bajo voltaje de circuito abierto en la salida de la máquina de soldar, el arco se enciende con dificultad, lo que reduce la productividad del soldador y lo cansa enormemente. Aumentar el voltaje sin carga sin utilizar un amplificador de voltaje reduce drásticamente la eficiencia de la máquina de soldar y aumenta la carga en la red eléctrica. Pero en muchos casos, las unidades elevadoras de voltaje son demasiado complejas y, en algunos casos, no lo suficientemente efectivas. Por ejemplo, en [1], esta unidad está diseñada de tal manera que cuando se quema un arco, puede fluir una corriente bastante grande a través del circuito elevador de voltaje, limitada únicamente por la resistencia activa del inductor. Para mantener esta corriente dentro de límites aceptables, se elige que el voltaje de refuerzo sea pequeño (10...12 V), lo que reduce su eficiencia. Es deseable que el amplificador de tensión aumente la tensión sin carga a 80...90 V. Además, en el dispositivo descrito en [1], la corriente de salida en el momento del encendido del arco está limitada por la reactancia inductiva del inductor, lo que complica aún más su formación. La práctica muestra que el arco se enciende mejor cuando se instala un condensador en la salida del rectificador de soldadura. El resultado es ligeramente peor cuando el rectificador no tiene ningún filtro anti-aliasing. Pero es más difícil que el arco se encienda si el filtro de alisado consta sólo de un estrangulador o termina con un estrangulador. La capacitancia del condensador C1 debe ser tal que garantice la rápida transición de la descarga de chispa a un arco de baja potencia. La práctica demuestra que para ello es suficiente una capacitancia de 3000 μF. Un condensador de este tipo no puede suavizar el componente alterno de la corriente de soldadura y no es necesario. Cuando arde el arco de soldadura, el voltaje en el condensador C1 pulsa desde cero hasta el valor de amplitud. Por lo tanto, el condensador C1 debe resistir la ondulación del voltaje con tal amplitud. Hay que tener en cuenta que la amplitud permitida de las ondulaciones de tensión en los condensadores de óxido no suele superar el 10...20% de su tensión nominal de funcionamiento. La cuestión de qué filtro suavizante es mejor utilizar en el rectificador de una máquina de soldar es discutible. Muchos autores de artículos publicados en revistas y especialmente en Internet creen que es mejor utilizar un estrangulador en el filtro rectificador de una máquina de soldar. Por ejemplo, existe la opinión de que su presencia evita que el electrodo se adhiera a la pieza a soldar. Pero la razón por la que se pega suele ser una potencia insuficiente de la fuente de alimentación de soldadura (o la imposibilidad de realizar la soldadura). En este caso, un arco de baja potencia derrite ligeramente el electrodo y la pieza, y para crear un arco potente, la fuente no tiene suficiente potencia. Como resultado, si el electrodo toca accidentalmente la pieza que se está soldando, el metal fundido del electrodo cristaliza en contacto con una pieza más fría y el electrodo se suelda a la pieza. El acelerador no puede facilitar el encendido del arco porque en modo inactivo no almacena energía. En el momento en que el electrodo toca la pieza, la corriente comienza a aumentar desde cero y el inductor comienza a almacenar energía. En este momento, la energía de la fuente no se utiliza para crear una descarga de arco, sino que se acumula en el campo magnético del inductor. En las descripciones de máquinas de soldar cuyos transformadores están fabricados a base de motores eléctricos asíncronos, generalmente se recomienda quitar las tiras de vendaje ubicadas en el exterior del conjunto de placas del estator y los salientes en el interior de estas placas. En este caso, el transformador terminado se monta en el cuerpo de la máquina de soldar, de manera similar a los transformadores de baja potencia con núcleos magnéticos toroidales. Pero el transformador de soldadura tiene una gran masa y durante el funcionamiento puede calentarse mucho. El peso del transformador con dicho montaje ejerce presión sobre el aislamiento de los cables del devanado, lo que puede provocar daños y cortocircuitos entre vueltas. Este problema es especialmente pronunciado cuando el aislamiento del cable no es suficientemente resistente al calor. Quitar las bandas y los salientes de las placas del estator es una operación que requiere mucha mano de obra y no sólo es inútil, sino incluso dañina. Sin embargo, se cree que las tiras de bandas deben retirarse para que no cortocircuiten las placas del estator. No existe ninguna justificación para eliminar las protuberancias. Quizás esto se haga para aumentar el área de la ventana del circuito magnético o para reducir ligeramente el consumo de cables. Pero el hecho es que el tamaño de la ventana del circuito magnético suele ser suficiente y el ahorro en cables es muy pequeño. Los salientes de las placas y el vendaje se suelen eliminar con un cincel y un martillo. Después de esta eliminación, se forman muchos puntos de contacto eléctrico entre las placas, lo que puede crear caminos para corrientes parásitas en el circuito magnético. El flujo magnético en la parte anular del núcleo magnético del motor eléctrico y del transformador fluye paralelo a las tiras de vendaje, sin cruzarlas, y no puede crear corrientes parásitas en ellas. La única diferencia es que en el estator del motor el flujo se divide en dos mitades, fluyendo en secciones diametralmente opuestas del circuito magnético del anillo en una dirección, mientras que en un transformador un solo flujo fluye a lo largo del anillo. Por tanto, la sección transversal efectiva de un mismo circuito magnético en un transformador es aproximadamente dos veces menor que en un motor, y la longitud promedio de la línea eléctrica es mayor. Como resultado, el número requerido de vueltas del devanado del transformador es mayor que el del devanado del motor para el mismo voltaje. Es mejor determinarlo experimentalmente. El diseño del núcleo magnético del transformador de la máquina de soldar propuesta se muestra en la Fig. 2. Las tiras de bandas y las lengüetas de la placa del estator se dejan en su lugar. Para evitar que las espiras de los devanados caigan entre las protuberancias de las placas del estator, se unen dos placas anulares 5 a los extremos de su paquete 3. Entre las protuberancias de las placas del estator hay cuatro pasadores 4, aislados de las placas del estator ( Se utilizan juntas que se utilizaban en el motor eléctrico para aislar los devanados). Los montantes se atornillan a los bastidores 2 con roscas internas, fijados a una base de madera 1. Por lo tanto, la carga del peso del transformador se transfiere a la base 1 solo a través de los bastidores 2, y no a través del aislamiento de los cables. Esto le permite aumentar la temperatura de funcionamiento máxima permitida del transformador sin riesgo de deformación del aislamiento del cable y cortocircuitos.
En la parte superior del circuito magnético, se fijan soportes 4 con un mango 6 de material no magnético (por ejemplo, aluminio) a dos de los cuatro pernos 7 que sujetan el paquete. Es recomendable fabricar tanto los soportes 6 como los bastidores 2 del mismo material, pero no es muy necesario. Para dejar más espacio para el devanado, puedes utilizar sólo tres montantes, colocándolos (en la vista superior) en los vértices de un triángulo equilátero, pero luego tendrás que cambiar el diseño del mango. Como circuito magnético se utiliza el estator de un motor asíncrono con una potencia de 7,5 kW. El devanado I consta de 305 vueltas de alambre de aluminio con una sección transversal de 4 mm.2 en aislamiento plástico refractario. El devanado II se enrolla con dos alambres de aluminio APV-10 de 10 mm de sección plegados juntos2 cada. Contiene 77 vueltas. Los grifos se realizan a partir de las vueltas 48, 58 y 69. Para determinar el número de vueltas necesario, se enrolló un devanado de prueba sobre el núcleo magnético y se midió su inductancia. Luego se calculó el número de vueltas del devanado I para obtener una reactancia inductiva de 220 ohmios a una frecuencia de 50 Hz. Como resultado, la corriente sin carga del transformador fue de aproximadamente 1 A. Luego, basándose en la relación de transformación requerida, se calculó el número de vueltas del devanado II. El transformador de corriente T1 está fabricado sobre un núcleo magnético a partir del transformador de salida vertical TVK-110. Su devanado primario es una vuelta de cable de montaje con una sección transversal de 2,5 mm.2. El devanado secundario contiene 100 vueltas de cable PEV-2 con un diámetro de 0,5 mm. Si se utiliza un avómetro de puntero como cabezal de medición PA1 con un límite de medición de 0,5 A, entonces su aguja se desviará completamente con una corriente de 100 A a través del devanado I. Este margen de corriente de deflexión total es necesario debido al hecho de que Durante el proceso de soldadura, la corriente medida es continua y cambia bruscamente. Como resultado, la aguja de un dispositivo con una corriente de desviación total baja a menudo toca los topes, lo que conduce a una rápida falla del mecanismo de medición. La unidad de medida de corriente se puede transferir fácilmente al circuito del devanado II del transformador T2. Pero esto no es muy necesario. Se conoce la relación de transformación y, conociendo la corriente en el devanado I, siempre se puede calcular el valor de la corriente de soldadura. Las resistencias R1-R4 del reóstato están hechas de tres cables de nicromo plegados a partir de una bobina calefactora eléctrica de 2 kW. Estas resistencias pueden calentarse mucho cuando la máquina de soldar está en funcionamiento, por lo que se instalan sobre una base resistente al calor hecha de ladrillo liviano resistente al fuego con orificios a través de los cuales pasan cables de nicromo. Para que el reóstato sea más compacto, puedes cortar el ladrillo en dos partes y usar solo la mitad. En lugar de un reóstato, puede utilizar un estrangulador con varios toques del devanado. Pero la masa y las dimensiones del inductor son mucho mayores que las de un reóstato hecho de ladrillo y alambre de nicromo. La viabilidad de regular la corriente de soldadura con una bobina de estrangulación depende de varias circunstancias. Por ejemplo, al realizar un gran volumen de trabajos de soldadura, el estrangulador reducirá el consumo de energía y, en consecuencia, su coste, ya que la potencia activa que disipa es insignificante. Si es necesario soldar con corriente alterna, el circuito de soldadura debe conectarse a la rotura del hilo en el punto A (ver Fig. 1). En este caso, los terminales del condensador C1 deben cerrarse con un puente capaz de soportar la corriente de soldadura sin un calentamiento perceptible. En este caso, el regulador de corriente funciona como de costumbre, pero no hay aumento de tensión. Antes de realizar trabajos de soldadura, se recomienda configurar el modo de funcionamiento de la máquina de soldar en el siguiente orden. Primero, dependiendo de la potencia requerida del arco de soldadura, configure el voltaje de salida requerido con el interruptor SA2 y mueva los controles deslizantes de las resistencias variables R5 y R6 hacia la posición derecha (según el diagrama). Luego debes colocar el interruptor SA1 en la posición deseada y, sin encender el dispositivo, conectar los terminales del condensador C1 con un puente. Una vez conectado el dispositivo a la red, utilice las resistencias variables R5 y R6 para configurar la corriente de cortocircuito en un 30...50% más que la corriente de soldadura requerida. El modo de cortocircuito debe ser de corta duración, no más de 2...3 s, después de lo cual se debe desconectar el dispositivo de la red y quitar el puente de los terminales del condensador C1. Ahora puedes volver a encender la máquina y empezar a soldar. En el futuro, la corriente se puede ajustar si es necesario utilizando resistencias variables R5 y R6. Los modos de soldadura típicos para varias piezas se dan en la literatura especializada. El regulador de tiristores utilizado en la máquina de soldar descrita es similar en estabilidad de la corriente de salida al descrito, por ejemplo, en [2], pero el circuito es notablemente más simple. Esto se debe a que no cuenta con un rectificador adicional para alimentar el circuito del electrodo de control SCR. Pero se puede introducir construyendo una máquina de soldar según el diagrama que se muestra en la Fig. 3. El devanado adicional III del transformador T2 debe contener 10 vueltas de cable de montaje con una sección transversal de 1,5 mm.2 (para resistencia mecánica). En este caso, la tensión rectificada en la resistencia R5, suavizada por el condensador C1, será de aproximadamente 10 V. La corriente de los electrodos de control de los tiristores no será pulsante, sino constante, dependiendo de la posición del control deslizante de la resistencia variable R5.
Literatura
Autor: A. Sergeev
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