При конструировании и расчете мощных трансформаторов пред­полагается, что они работают от источника питания с определенным напряжением, без какого-либо дополнительного, заметного сопротив­ления в цепи питания. Для сварочных трансформаторов это условие особенно актуально, так как в процессе зажигания и горения дуги их реактивное сопротивление резко изменяется, в трансформаторе про­исходят сложные процессы, сильно зависимые от Внешних условий.

К сожалению, стабильность источника питания сварочного транс­форматора, в данном случае электросети с предполагаемым напряже­нием 220 В, в большинстве случаев по независимым от нашего жела­ния причинам, соблюдается далеко не всегда. Причиной тому плохое, а то и просто ужасное качество линий электропередач. Качество это имеет выраженное свойство ухудшаться с отдалением за черту круп­ных городов и от трансформаторных подстанций, также оно может зависеть от времени суток, времени года и даже от погодных условий. Для мощных потребителей электроэнергии, коим и является свароч­ный аппарат, некачественная электросеть особенно вредна. За поте­рей мощности электрической дуги наступает такой момент, когда электроды начинают безнадежно «липнуть» к металлу, а на дуге мер­цают лишь слабенькие искры и она упорно не желает загораться даже при применении тонких электродов. В таких случаях для электро­сварки наступает полный коллапс, хотя само оборудование находит­ся в полном порядке. Виной тому падение напряжения на входе сва­рочного трансформатора.

Да кто только не сталкивался с этой проблемой? Тащишь свой сварочный аппарат за пару десятков километров, с трудом вывозишь его за город, с горем пополам тянешь кучу проводов, и тут на тебе все это дело виснет на шее мертвым грузом. При попытке зажечь ду­гу «сварка» клеит электроды, трансформатор гудйт в режиме корот­кого замыкания, а у соседей при всем этом начинает блекнуть свет на лампочках, а то й экран включенного телевизора берется полосами. Налицо резкое падение напряжения в местной сети при включении мощной нагрузки. Почему так происходит и как с этим можно бо­роться, задавали мучительный вопрос себе многие. Вот с чем по-на­стоящему следует разобраться.

Как известно, электрический ток протекает по проводам, которые могут иметь разное сечение и разную длину. К тому же на пути пото­ка электричества внутри самого провода встречается масса препятст­вий, мешающих его нормальному движению. Отправной точкой в этой системе служит трансформаторная подстанция, которая сама яв­ляется элементом обширной сетц еще более СЛОЖНОЙ системы. Но что же это за такие нехорошие препятствия на пути протекания электри­ческого тока, которые так сильно портят положение дел конечного потребителя? Начнем с того, что любой проводник обладает свойст­

венным его материалу удельным сопротивлением. Удельное сопро­тивление материала выливается в количественное значение сопро­тивления линии: чем меньше сечение проводов и чем больше их дли­на, тем более высокое значение сопротивления R будет иметь линия электропередачи. В данном случае R определяется из выражения:

R= p-L/S,

где р — удельное сопротивление материала провода (Ом-мм2/ м); L — длина провода (м); S — сечение провода (мм2).

Для меди р = 0,0175; для алюминия р = 0,028.

Таким образом, обладая расчетной формулой, можно рассчитать значение сопротивления провода, которым, например, вы собирае­тесь внутри двора удлинить линию для подключения «сварки». Чем тоньше провод, тем больше будет его сопротивление электрическому току. Так, для линии длиной 50 м (100 метров двух жил провода), со­стоящей из дешевого алюминиевого провода распространенного се­чения 2,5 мм2, величина сопротивления будет равняться R = 1,12 Ом. Типичным для провода, натянутого на столбах, является сечение 25 мм2 тот же алюминий. Понятно, что линия длиной более километ­ра в этом случае даст сопротивление больше одного ома. Но провода на столбах легко поддаются осязанию, поэтому здесь еще пытаются соблюдать правила, определяя длину и сечение. Совсем другое дело огромные корпуса зданий и предприятий, где все это электрохозяйст­во попрятано в нишах, подвалах, уложено в трубах и навечно замуро­вано в скрытой проводке. По мере прокладки новых линий они, как правило, уже не вносились в схемы и документацию и рассчитыва­лись по мере текущих потребностей. За много поколений сменивших­ся энергетиков и электриков здесь могло быть напутано что угодно, паутина из километров испещренного множеством соединений про­вода внутри здания может давать огромные потери. Большое количе­ство бывших предприятий сегодня попросту простаивает, а их пло­щади с системой электроснабжения активно сдаются в аренду. Арен­даторы, будьте бдительны.

Но теоретическое сопротивление провода это еще далеко не все в общем вкладе нежелательных факторов в полное сопротивление линии и сети в целом. В линии обязательно присутствуют соедине­ния на клеммах с разнородными металлами, которые к тому же могут

быть уже порядком окислены. Сюда надо добавить тепловые элемен - ] ты автоматических выключателей, которые обладают собственным I сопротивлением; никуда не денешься и от кое-как, на быструю руку состряпанных «скруток», примотанных изолентой и запрятанных і где-то внутри щитовых, а то и просто мокнущих под дождем на на - > ружных соединениях; ну и плюс другие возможные дефекты монта - | жа и провода. Все эти маленькие «радости» вносят каждая свой не - | приметный на первый взгляд вклад в общее сопротивление всей ли - | нии, что в сумме выливается в вполне заметные величины. Понятно, | что все эти паразитные сопротивления включены в цепи последова - I тельно, и чем их больше, тем больше проблем будет в конкретной 1 электросети. I

На процесс транспортировки электроэнергии также, безусловно, ] влияют сопротивления подключенных нагрузок конкретных потре - 1 бителей, во множестве разбросанных на разных иерархических уров - | нях электрической сети. Таким образом, имеем сложную электриче - I скую цепь: паразитные сопротивления линии включены последова - 3 тельно, сопротивления включенных потребителей стоят параллельно, | через те же паразитные сопротивления участков линии. 3

Чтобы упростить задачу, в дальнейших расчетах будем прини - 1 мать все сопротивления активными и неизменными по величине. Та - 1 ким образом, напряжения на нагрузке в любой ситуации можно бу - | дет рассчитать, лишь пользуясь всем известным законом Ома. Перед 1 тем как достичь любой полезной нагрузки, ток проходит по линии 1 через паразитные сопротивления провода и помех. На каждом из них І происходит падение напряжения, равное Un= Rn I, где Rn паразитные | сопротивления отдельных участков линии. Для разных потребителей 1 суммарные потери будут разными, в основном в зависимости от их d удаления от трансформаторной подстанции и качества линии кому j повезет больше, кому меньше... Таким образом, каждый потреби - і тель получает лишь часть напряжения источника, за вычетом поте - | рянной на линии величины. Исходя из формулы: второй параметр, от J которого зависит падение напряжения на паразитном сопротивле - | нии, это ток. Чем больше ток в цепи, тем больше потери в линии. Ток | в цеп» создают все потребители, кто больше, кто меньше, но берут ] все. И чем большую мощность тянет каждый потребитель, тем боль - I ше он же сам, впрочем, как и все его сосед и, теряют этой самой мощ - |

Рис. 3.13

R1 R2

0---- □-------

U-220 Rn

0-------------

ности. Для того чтобы определить количественные значения падения напряжения и потери мощности, будет весьма интересным рассмот­реть несколько типовых случаев включения нагрузки на разных уча­стках электросети.

Для начала рассмотрим самый простой случай (рис. 3.13). Допус­тим, вы подключены к подстанции и кроме вас больше не включен никто. В цепи присутствуют паразитные сопротивления, для приме­ра Rv R2, и сопротивление вашей нагрузки RH. Произведя несложные вычисления, можно получить формулу для значения напряжения на нагрузке £/н:

Хорошо видно, что реальное напряжение уменьшится относи­тельно выходного напряжения на подстанции (V). Следующий шаг: усложним условия (рис. 3.14), теперь будем считать, что перед нами включен сосед потребитель с сопротивлением нагрузки Rn. Как же теперь изменится напряжение на нашей собственной нагрузке (Дн). Результат более сложного расчета теперь получиться следующим:

Рис. 3.15

Сразу видно, что теперь в знаменателе присутствует сумма из пяти произведений, при сравнении с суммой трех сопротивлений в предыдущей формуле. Это значит, что включившийся перед нами сосед, как и все остальные соседи впереди, уменьшат наше напряже­ние на весьма заметную величину. Впрочем, к уменьшению напря­жения на каждом потребителе приводит возрастание общего значе­ния тока в линии. Значит, не только соседи, включившиеся впереди, но и те, кто включится после нас, также должны влиять на падение питающего напряжения. Рассмотрим и этот случай (рис. 3.15). Для простоты будем считать, что кроме нашей нагрузки включен лишь один потребитель после нас (Rm), также в цепь входят паразитные сопротивления R2, Ry В этом случае зависимость примет еще бо­лее громоздкий вид:

JJ _ ___________ *н(*3 +*п)_______________________ JJ

ш (*,+*,)+(*„+Л,+Дт)+Дн(Д,+Дт) '

Глядя на формулы, трудно оценить количественную сторону по­тери напряжения в каждом конкретном случае, а именно она нас больше всего и интересует. Легче всего сделать такую оценку, под­ставив в формулы числовые значения величин, приближенных к ре­альным условиям. Например, при напряжении на подстанции U = 220 В выбираем значения остальных величин.

Сопротивления в линии; Rl=R2=Rl = 0,5 Ом.

Сопротивления нагрузок и потребителей: RH = Лп * Rm=10 Ом.

Сопротивления нагрузок соответствуют мощности средней вели­чины, близкой 2 кВа.

Таким образом, в первом случае (рис. 3.13) мы получим следую­щее значение упавшего напряжения питания нашей нагрузки:

Имеем уже заметное падение напряжение на где-то на 10%, но что же будет получаться дальше (рис. 3.14):

Л, ЛП +RR 2 +RiRii +/?2-^п +RuRh

__________________ 1010_________

0,5-10+0,5-0,5+0,5-10+0,5-10+10-10

Как и предполагалось, напряжение в сети при включении первого соседа еще более уменьшилось по сравнению с предыдущим случаем и стало на грани допустимого. Идем дальше, что же случится, когда будет включен второй сосед?

Результат получен. Как стало видно, подключение далее идущих по линии соседей приводит к еще более плачевным результатам, чем запитывание нагрузки их впередиидущих «коллег». Здесь вносит свой вклад еще одно появившееся паразитное сопротивление R3. Подключение одного первого соседа приводит к потере напряжения на 13,2%, а если вы будете делиться только с одним следующим, то потеряете уже более 16% напряжения. В реальности подключены и те и другие, вместе... Если найдется желание, то рассчитать резуль­тат и в этом случае вы можете попробовать сами. Но какова же мо­раль вытекает из всей этой весьма прагматичной истории? Попро­буйте подставить в формулы значения паразитных сопротивлений R2,..., Rn, равных нулю, в результате, конечно же, потери напряже­ния нет никакой. Первоисточником падения напряжения является именно сопротивление лиши, эффект от его действия усиливается с увеличением нагрузки в сети, в том числе вашей собственной. А зна­чит, качество линии определяется наличием в ней сопротивлений проводов, соединений и т. д,, которые в большей или меньшей степе­ни присутствуют всегда, а также ее загруженностью. Притом надо учитывать, что в данном случае мы рассмотрели всего лишь упро­щенную схему однофазной электросети от одной трансформаторной
подстанции. А ведь сама подстанция тоже включена в какую-то свою сложную сеть, со всеми вытекающими отсюда последствиями...

Сварочный аппарат потреблет довольно большую мощность, в среднем около 6 кВт, а значит, и сам он может посадить паршивую сеть довольно сильно, да и многочисленные потребители соседи спо­собны сделать работу с ним невыносимой. Тут уж главное изыскать способ приуменьшения нежелательных последствий с упавшим на­пряжением.

Так как изменить в глобальных масштабах нашу систему энерго­снабжения нам, конечно же, не под силу, и в ближайшее время вряд ли что-то сильно изменится, то остается одно: искать возможные выходы из сложившейся ситуации. Как на практике можно несколько улуч­шить работу сварочного трансформатора от электросети с недопусти­мо упавшим напряжением? Ряд выходов из этой ситуации уже практи­куется давно. Во-первых, как видно из расчетов, падение напряжения будет тем меньше, чем ближе подключен потребитель к выходу транс­форматорной подстанции, или чем меньше на его цуга других потре­бителей и препятствий на линии. Однако выбирать место работы в большинстве случаев не приходится, поэтому такой способ малоэф­фективен. Здесь лишь надо следить за тем, чтобы последний отрезок пути токопередачи гибкий провод, соединяющий сварочный транс­форматор с точкой электропитания, сам не имел большого внутренне­го сопротивления. Ведь весьма часто варить приходится достаточно далеко от места возможного подключения трансформатора, а прилич­ный гибкий медный провод на сегодня удовольствие дорогое, вот и тя­нут на десятки, а то и на сотни метров кто чем горазд: часто старыми, тонкими и окисленными проводами, соединенными из небольших кусков, всевозможными удлинителями, включающими множество не­надежных соединений и «скруток». Естественно, что такое «удлине­ние» обладает значительным собственным сопротивлением и на него приходится заметная потеря мощности любого сварочного аппарата. Наиболее действенным и часто единственным способом удерживать мощность сварки является рациональный выбор времени проведения сварочных работ. Как было Показано віллє, падение напряжения на со­противлении линии пропорционально току, протекающему по этой линии, а значит, увеличивается с количеством включенных потреби­телей как до, так и после вашей точки подключения к электросети. По­этому на плохих линиях следует избегать проведения сварочных работ в то время суток, когда потребление электроэнергии населением осо­бенно велико. Мощный трансформатор будет плохо работать сам и еще больше «садить сеть», доставляя проблемы не только себе, но и своим соседям. Мощные скачки напряжения от работы сварочного трансформатора способны давать сбои в работе бытовой электро - и электронной аппаратуры, компьютеров, от пониженного напряжения могут не запускаться компрессоры холодильников, не говоря уже о том, что индикатором проведения кем-то сварочных работ станет ми­гание яркости лампочек во всей округе. Качество напряжения в сети будет лучше всего, когда подключено наименьшее количество потре­бителей, именно такие часы, по возможности, и следует выбирать для подключения мощной и требовательной к напряжению нагрузки.

Другой вопрос: как можно оценить качество сопротивления кон­кретной линии предварительно, скажем, перед доставкой на место сварочного аппарата. Ведь при измерении напряжения на незагружен­ной линии вольтметр может показывать вполне приемлемые значе­ния. Однако при подключении туда же сварочного трансформатора окажется, что он лишь «клеит» электроды и не работает нормально налицо резкие падения напряжения в дуговом режиме трансформато­ра. При измерении напряжения надо учитывать что мощная нагрузка, которой является сварка, еще не была подключена и напряжение в се­ти было выше. Как следует из формул, падение напряжения проявля­ется лишь тогда, когда в сеть подключены потребители со значитель­ным электропотреблением. А до этого вольтметр, с его огромным со­противлением и ничтожным током, просто не чувствует внутреннего сопротивления линии и показывает завышенные значения. Может оказаться, что единственной нагрузкой, способной «посадить» сеть, и будет ваш сварочный аппарат, который как раз и «посадит» напряже­ние на самом себе. Поэтому контролировать напряжение в точке под­ключения необходимо уже после подключения основного потребите­ля, в данном случае сварочного трансформатора, и развития им макси­мальной мощности. Но так как сопротивление трансформатора является реактивным и оно сильно меняется, нестабильно в процессе работы, дает в сеть помехи, то показания вольтметров, особенно не­высокого класса, могут быть очень невнятными, стрелка может силь­но колебаться, и тогда трудно что-либо разобрать. Да и смысла в этом не так уж много: если аппарат уже доставлен на место и подключен, то он либо варит, либо не варит, и причина определяется сама собой. Ка­чество линии необходимо контролировать до доставки и подключе­ния сварочного аппарата, значит, его нагрузку необходимо чем-то за­менить. Для этих целей подойдет активная нагрузка, соизмеримая с мощностью работающего сварочного трансформатора, хотя бы

1,5.. . 3 кВа, например конфорки электроплитки. Измерения вольтмет­ром следует проводить до и после подключения нагрузки, и если по­сле подключения налицо заметное падение сетевого напряжения, это можно даже заметить по изменению яркости свечения лампочки, то, значит, линия электропередачи некачественна, имеет значительное внутреннее сопротивление, тогда уже следует думать, перед тем как везти туда и подключать сварочный аппарат.

Потребляемая мощность для активной нагрузки определяется вы­ражением Р = U2/R. Таким образом, при уменьшении напряжения мы будем иметь уже квадратичное уменьшение развиваемой мощности. Так, при уменьшении напряжения на 10% мощность упадет на 19%. Сопротивление трансформатора является реактивным, ему свойст­венны более сложные процессы преобразования электрической энер­гии: сопротивление обмотки сварочного трансформатора меняется в зависимости от режима работы, напряжения питания, определяясь ве­личиной потребляемого тока. В этом случае можно привести пример из практического опыта: сварочный трансформатор, развивающий при напряжении питания 220—240 В вблизи от подстанции ток 180—200 А, при падении на нем питающего напряжения до 180 В бу­дет уже давать ток, достаточный лишь для работы трехмиллиметрово­го электрода. предположительно 100—120 А. Поэтому имеющие за­пас мощности трансформаторы обладают преимуществом на плохих линиях в том случае, если от них не требуется максимальная мощ­ность. Кроме мощности, важным параметром здесь является и выход­ное напряжение холостого хода трансформатора, ведь при уменьше­нии входного соответственно уменьшится и выходное напряжение трансформатора, и если его значение упадет ниже какого-то значения (предположительно 36 В для переменного тока), то зажечь дугу уже будет очень сложно. Этой проблемы удастся избежать, если выходное напряжение холостого хода трансформатора находится на уровне не ниже 50 В при нормальном сетевом напряжении. Сварочные транс­форматоры, изначально рассчитанные на какую-то определенную мощность, для конкретного диаметра электрода, которая для них яв­ляется максимальной, могут полностью потерять работоспособность при падении напряжения или большом сопротивлении линии.

Вышеизложенные факты следует учитывать при изготовлении самодельных сварочных трансформаторов. Лучше всего при намотке первичной обмотки сделать ее с отводами в сторону уменьшения витков. Тогда в экстремальных случаях при падении мощности мож­но будет переключить трансформатор на меньшее количество витков первичной обмотки и таким образом повысить его мощность и вос­полнить потери.