Электрическая дуга была впервые получена в 1802 г. русским академиком В.В. Петровым. За свою более чем 200-летнюю историю она из обычного электрического явления превратилась в мощную технологическую составляющую современного производства. Технический прогресс в промышленности неразрывно связан с постоянным совершенствованием сварочного производства. Сварка как высокопроизводительный процесс изготовления неразъёмных соединений находит широкое применение при изготовлении металлургического, кузнечно-прессового, химического и энергетического оборудования, в сельскохозяйственном и тракторном машиностроении, в производстве строительных и других конструкций.    Начиная с середины 80-х годов прошлого столетия, стало увеличиваться количество сварочных аппаратов, предназначенных для домашнего применения. Сегодня их изготавливают не только любители-одиночки, но и всевозможные акционерные общества, появившиеся при крупных промышленных предприятиях.
   Однако приобрести надежный и удобный сварочный аппарат для личных нужд не так то просто. Дело в том, что при изготовлении подобных устройств очень часто копируются их "старшие братья" (сварочные аппараты для промышленного применения) как бы в уменьшенном виде. Такой подход нельзя считать правильным. Как известно, сварочные аппараты являются энергоёмкими устройствами. Эта особенность, с которой мирятся на производстве, может стать существенным препятствием для применения их в домашних условиях. Попробуем разобраться в причинах этого явления. Почему бытовые сварочные аппараты так же "прожорливы" как и их "старшие братья"? На первый взгляд кажется, что причина кроется в неверных электротехнических расчётах сварочного трансформатора или ошибках, допущенных при его намотке. Такое часто случается, когда трансформатор изготавливают в любительских условиях. Но дело не только в этом. Даже безупречно грамотно рассчитанный сварочный трансформатор потребляет в рабочем режиме значительное количество энергии. Здесь требуется дать некоторые пояснения. В теоретической электротехнике при расчётах используются понятия "идеального источника тока" и "идеального источника напряжения". Первый на любой нагрузке обеспечивает неизменный ток, а второй- неизменное напряжение. Чтобы выйти на такие режимы "идеальный источник тока" должен иметь бесконечно большое внутреннее сопротивление (r=∞), а "идеальный источник напряжения" – бесконечно маленькое внутреннее сопротивление (r=0). Реальные источники электрической энергии имеют внутреннее сопротивление: и их режим определяется внешней нагрузкой R: Так как на внутреннем сопротивлении бесполезно расходуется часть энергии источника, то разным оказывается и КПД данных источников: источник тока имеет коэффициент полезного действия : 0 <КПД < 50 %, источник напряжения имеет коэффициент полезн. действия: 50 % < КПД < 100 %.
   Все сварочные трансформаторы для ручной дуговой сварки должны работать в режиме источника тока, т.к. постоянство тока электрической дуги обеспечивает высокое качество сварного шва. С этой целью в сварочных трансформаторах принимают меры для увеличения их внутреннего сопротивления ( увеличивают магнитное рассеяние, включают дроссели и т.д.). Платой за качество является сравнительно низкий КПД (близкий к 50%), и, как следствие, значительное потребление энергии.
   Чтобы не быть голословным, покажем это на примере бытового сварочного аппарата, рекомендации по изготовлению которого были опубликованы в популярном научно-техническом журнале "Радио" (В. Володин. Сварочный трансформатор: расчёт и изготовление. Радио, 2002 г, №11, №12). По расчётам самого автора его сварочный трансформатор в рабочем режиме будет потреблять мощность около 10 кВт. Можно ли его безопасно эксплуатировать в домашних условиях? Скорее всего нет. Дело в том, что на такую мощность не рассчитана домашняя электропроводка. Сечение её проводов имеет стандартнее значения (S=2,5–4мм²) и, в лучшем случае, позволяют к ней подключать устройства мощностью 3–4 кВт (да и то с соблюдением мер предосторожности). Устройства мощностью в 10 кВт будут вызывать столь значительный разогрев подводящих проводов, что может привести к расплавлению изоляции, образованию коротких замыканий и даже пожару. Кроме того, мощные броски тока, достигающие в сети при работе трансформатора 45 А (а в режиме зажигания дуги до 90 А!), вызовут значительное падение напряжения на проводах электропроводки. Напряжение в осветительной сети станет меняться в диапазоне от 170 до 220 В. Это вызовет неустойчивую работу холодильников, электронасосов, стиральных машин и т.д. и может стать причиной их преждевременного выхода из строя не только у хозяина сварочного аппарата, но и у его ближайших соседей. В дальнейшем состоится неприятный контакт с инспектором Энергонадзора со всеми вытекающими отсюда последствиями.
   Попытаемся показать, как, не ухудшая качества, можно снизить энергопотребление сварочного трансформатора до 3,5–4 кВт, сделав его работу безопасной не только для себя, но и окружающих.
   Известно, что мощность, потребляемая сварочным трансформатором из сети, в основном определяется мощностью, передаваемой им во вторичную обмотку: где Р₂–полная мощность вторичной обмотки, В·А;
U_2хх–напряжение холостого хода вторичной обмотки, В;
I_2р–рабочий ток вторичной обмотки, А.
   Величина I_2р нормирована для каждого диаметра электрода и уменьшать её не рекомендуется, т.к. это ухудшает качество сварного шва. Например, для электродов Ø3 I_2р=100-120 А, для электродов Ø4 I_2р=180–200 А и т.д. Остаётся напряжение холостого хода U_2хх. Для сварочных трансформаторов промышленного назначения его величина выбирается равной 65–70 В. И это вполне оправдано, если не обращать внимание на энергопотребление сварочного аппарата.
   Около 14 лет назад автор данной статьи также столкнулся с проблемой снижения энергопотребления при постройке собственного сварочного аппарата. Эксперименты показали, что современная обмазка электродов позволяет зажигать дугу и поддерживать устойчивым её горение даже при напряжении холостого хода U_2хх=28 В! Конечно, дуговой промежуток был очень маленьким, и любое небрежное движение сварщика приводило к гашению дуги. Кроме этого, дуга становилась "капризной" на зажигание, если поверхность свариваемых изделий содержала ржавчину или была покрыта оксидной плёнкой. Да и не все типы электродов допускали такой режим. Лучшие результаты сварки под низким напряжением показали электроды Ø3 АНО-21(торговая марка "Тигарбо") Каменского опытного механического завода. (Эти электроды очень популярны на Юге России!).
   Уйдём от этой нижней границы. Оказалось, что напряжение U_2хх=36–40 В позволяет успешно варить даже начинающему сварщику. При таком напряжении валик сварочного шва получался ровным, т.к. отсутствовало разбрызгивание капель жидкого металла, а шлаковая плёнка была тонкой и легко отслаивалась от изделия. Но самое главное – резко снизилось энергопотребление сварочного трансформатора до 3,5–4 кВт, что сделало его абсолютно пригодным для домашнего применения. Семейный бюджет получил при этом существенный выигрыш.
   С учётом изложенного выше, можно сделать вывод: в любом сварочном трансформаторе, после несложной доработки, можно ввести экономичный режим. Для этого во вторичной обмотке необходимо сделать отвод на напряжение 36–40 В. Желательно в трансформаторе также иметь возможность плавного регулирования сварочного тока. Предлагаю один из вариантов экономичного сварочного трансформатора для домашнего применения. В качестве объекта для модернизации был выбран сварочный аппарат, сконструированный В. Мотузасом (В. Мотузас. Компактный, безопасный, бесшумный – журнал "Сельский механизатор", 1987 г., № 2, с. 26). Т.к. большинство читателей журнала не знакомо с этим узкоспециализированным изданием, я, там, где это необходимо, повторю некоторые технологические приёмы его изготовления.
   После модернизации сварочный аппарат имел следующие технические характеристики:
 

экономичный режим	форсированный режим
- напряжение холостого хода 36 В, - рабочий ток 20-100 А, - диаметр электрода &#216 1,5; 2; 3, - мощность, потребляемая из сети минимальная 750 Вт максимальная 3800 Вт - регулирование раб. тока: плавное, - род тока: переменный	- напряжение холостого хода 50 В, - рабочий ток 80-140 А, - диаметр электрода &#216 3, - мощность, потребляемая из сети минимальная 4500 Вт максимальная 7500 Вт - регулирование раб. тока: плавное, - род тока: переменный.

   В качестве магнитопровода используется статор от списанного электродвигателя, мощностью 12-15 кВт. Чтобы извлечь магнитопровод из корпуса статора, его надо разбить и удалить обмотку электродвигателя. Получится чистый магнитопровод (рис.1).
 
Зубилом вырубываем на магнитопроводе 12 пазов для намотки первичной обмотки. Вырубывать пазы зубилом нетрудно, металл магнитопровода мягкий. При этом обязательно используются защитные очки: срубленные пластинки могут попасть в глаза. Вырубленный участок обмотаем куском ткани и пропитаем его эпоксидным клеем или лаком. Когда клей высохнет, на этот участок намотаем первичную обмотку W₁ (рис.2).
 
Наматываем её в несколько слоёв так, чтобы начало и конец обмотки были внизу катушки. Каждый слой друг от друга изолируем тканью, пропитанной эпоксидной смолой или лаком. Верхний слой покрывается двумя слоями ткани, пропитанной эпоксидной смолой.
   Затем приступаем к изготовлению каркаса для вторичной обмотки. Он должен свободно перемещаться по всей поверхности магнитопровода (в т.ч. и по поверхности первичной обмотки). С этой целью на поверхности первичной катушки намотаем виток к витку кабель диаметром 8-10 мм (с изоляцией). Он будет служить вспомогательной обмоткой. Поверх кабеля накладываем целлофановую плёнку. Всё это обматывается тканью (мешковиной), пропитанной эпоксидной смолой. Сюда же необходимо приклеить две удерживающие пластины и две клеммы (алюминиевые полоски) для вторичной обмотки (рис.3).
 
После высыхания клея, целлофан и вспомогательная обмотка удаляются.
   Для придания жесткости, каркас вторичной обмотки покрывается ещё одним слоем ткани, пропитанной эпоксидной смолой. После высыхания смолы можно приступать к намотке вторичной обмотки. В качестве материала используется медная (алюминиевая) шина или провод круглого сечения в изоляции. Для расчёта числа витков первичной и вторичной обмоток вначале определяется сечение магнитопровода (S, см²): S=а×в (см. рис.1) Затем определяем число витков на один вольт: Рассчитываем число витков в первичной W₁ и вторичной W₂ обмотках:

---

 ПРИМЕЧАНИЕ. Вторичную обмотку наматывают в такой последовательности:

1. наматывают витки экономичного режима,
2. рассчитывают число витков форсированного режима,
3. доматывают " разницу" между числом витков форсированного и экономичного режимов.

---

Схема модернизированного трансформатора показана на рис. 4а.
 
   В качестве примера приведу данные своего сварочного трансформатора. У него форсированный режим введен по-другому: в первичной обмотке делается отвод W_1ф, положение которого рассчитывается по формуле: Первичная обмотка содержит 191 виток с отводом от 143 витка, провод ПЭТВ Ø 2,12мм, вторичная обмотка намотана алюминиевым проводом круглого сечения в изоляции, Ø 8 мм.
   Чтобы быстро переходить от экономичного режима к форсированному поступают следующим образом. Из изоляционного материала (текстолит, гетинакс) толщиной 5–6 мм вырезают пластину для выводов первичной обмотки. В ней сверлят 3 отверстия Ø 5 мм на расстоянии 20 мм друг от друга по одной прямой. Из медной проволоки Ø 5 мм отрезают 3 куска длинной 45 мм. На них с одного края нарезают резьбу М5. С помощью гаек эти стержни укрепляют на пластине, и, сюда же, присоединяют выводы от первичной обмотки в определённой последовательности (рис.4 б,с).
 
Сама пластина крепится к основанию трансформатора с помощью двух уголков. Сетевой шнур с одной стороны имеет штекерный разъём, который позволяет легко переходить от экономичного режима к форсированному.
   Последним готовится основание трансформатора. Здесь подойдёт любой изоляционный материал достаточной прочности, например, многослойная фанера, древесина и т.п. Для мобильности к основанию можно приспособить небольшие колёсики от стиральных машин старых выпусков типа "Волга", "Ока". Общий вид сварочного трансформатора показан на рис.5.
 
   При работе в домашних условиях используют, в основном, экономичный режим. Переход в форсированный режим осуществляется перестановкой сетевого разъёма на щитке выводов первичной обмотки. Однако работать в этом режиме длительное время не рекомендуется по причине, указанной в начале статьи. Плавная регулировка тока в обоих режимах осуществляется простым перемещением вторичной обмотки по магнитопроводу Наибольшего значения сварочный ток достигает в положении, когда вторичная обмотка находится поверх первичной. Чтобы зафиксировать вторичную обмотку в определённом положении, используют деревянные брусочки, вставляя их в пазы статора. Если есть возможность подключения сварочного трансформатора к автономному источнику питания (домашней электростанции), то работа в форсированном режиме осуществляется без ограничений.
   Конечно, изготовление такого трансформатора - достаточно трудоёмкий процесс. Но, построив его, вы, действительно, забудете все проблемы.
Литература.

1. 1. Ю.А.Денисов, Г.Н.Кочева, Ю.А.Маслов и др. Справочник сварщика. М.:Машиностроение,1982.
   2. В. Володин. Сварочный трансформатор: расчёт и изготовление. Радио, 2002, №11, №12.
   3. В. Мотузас. Компактный, безопасный, бесшумный.-журнал "Сельский механизатор",1987,№2,с26