Достоинства, недостатки и принцип работы сварочного инвертора

Сегодня рынок сварочных аппаратов прочно удерживают сварочные инверторы. Принцип работы сварочного инвертора существенно отличается от старых аппаратов (трансформаторных). Такие агрегаты захватили рынок относительно недавно, в середине нулевых, причинами успеха стали их достоинства и резко снизившаяся цена из-за удешевления электроники.

Конструкция сварочного инвертора.

Что такое инвертор

До появления сварочного инвертора для сварки использовали аппараты с мощными трансформаторами, которые выдавали ток до 500 А. Они были громоздкими и тяжелыми, их масса достигала 20, а иногда и 25 кг. Современные инверторы занимают мало места и весят на порядок ниже. Но для того чтобы понять принцип работы сварочного инвертора, необходимо знать принцип сварки как процесса.

Схема инверторного сварочного аппарата.

Как уже было сказано выше, сварочный аппарат дает на выходе большой ток. Этот ток позволяет получить электрическую дугу, которая имеет высокую температуру и плавит металл. Дуга возникает между металлической поверхностью (той, что требуется заварить) и электродом. Капли расплавленного дугой металла заливают щель свариваемых деталей. После застывания металла, которое происходит очень быстро, образуется шов, который обладает высокой прочностью. Такая дуговая сварка является основной, на ее долю приходится более 80% всех соединений.

Главное в сварке – это ток, который раньше получали при помощи мощных трансформаторов, однако уже середина 70-х годов прошлого века была отмечена изобретением инверторного сварочного аппарата. Он имеет малые габариты и массу, питается от бытовой сети в 220 В (или промышленной в 380 В), а на выходе дает широкий диапазон необходимых токов.

Вкратце принцип работы инвертора можно описать так: ток от сети (переменный, с частотой 50 или 60 Гц) идет на выпрямитель, где преобразуется в постоянный. Далее идет фильтр, который «сглаживает» постоянный ток. После фильтра следует инвертор, который преобразует постоянный ток в переменный высокой частоты. Далее напряжение понижается, и на выходе получается высокое значение переменного тока. Регулируя частоту, можно регулировать ток в широком диапазоне.

Подробное описание работы

Принцип работы сварочного аппарата.

В инверторах происходит увеличение рабочих частот с 50/60 Гц до 60 – 80 кГц (при этом увеличение рабочих частот в 4 – 6 раз позволяет снизить массу и габариты устройства в 2 – 3 раза). Повышение частоты (рабочей) происходит в контуре с мощными силовыми ключевыми транзисторами. Однако для работы транзисторов, которые на выходе дают большой ток высокой частоты, следует подать постоянный ток на вход. Постоянный ток получается после прохождения переменного тока питания (от внешней сети) выпрямителя. Электрическую схему можно условно разделить на 2 части: силовую и управления. Описание начинается с силовой части. Итак, сетевой выпрямитель представляет собой мощный диодный мост, который преобразует переменный ток в постоянный.

Для фильтрования применяются конденсаторы (часто электролитические). Фильтр необходим для сглаживания импульсов, которые происходят после прохождения диодного моста. При этом значение напряжения на выходе фильтра будет примерно в 1,4 раза выше входного напряжения диодного моста (т.е. на корень из 3). При этом важно знать то, что подобные схемы чувствительны к перепадам напряжения. При повышении входного напряжения более чем на 10% выходное повышается на 15%, этого достаточно, для того чтобы схема сгорела. Также важным конструктивным элементом выпрямителя является радиатор, который охлаждает диодный мост. Это связано с тем, что диоды и резисторы в диодном мосту сильно нагреваются под воздействием больших токов.

Помимо радиатора, на диодный мост устанавливается и термопредохранитель, в задачи которого входит немедленное отключение питания при нагреве моста более чем на 80 – 90°С.

Принципиальная электрическая схема сварочного инвертора.

Перед выпрямительным узлом устанавливают фильтр ЭМС (электромагнитная совместимость), он защищает сеть от высокочастотных помех и представляет собой дроссель и связку конденсаторов. Инвертор же представляет собой сборку транзисторов (часто из 2 штук) по схеме «косой мост». Коммутация постоянного напряжения в переменное происходит переключением транзисторов, частота которых может составлять десятки или сотни килогерц. Полученный на выходе ток имеет прямоугольную форму. Защиту транзисторов от сгорания обеспечивают RC-цепи, которые называют демпфирующими. Чтобы получить высокий ток на выходе инвертора, после косого моста стоит понижающий трансформатор напряжения. За ним находится мощный силовой выпрямитель, тоже диодный мост, который преобразует переменный ток в постоянный. Именно постоянный ток на выходе генерируют инверторы.

Все силовые контуры имеют охлаждение и термодатчики, которые отключают аппарат при превышении допустимого значения температуры. Чтобы обеспечить плавный запуск аппарата, используют стабилизаторы напряжения. Мягкий пуск необходим из-за того, что после зарядки конденсаторов фильтра на выходе получается большое значения тока, которое может сжечь силовые транзисторы.

Для управления силовой частью используют контроллер ШИМ. Он выдает сигналы на полевой транзистор. Выходные сигналы полевого транзистора попадают на трансформатор разделительный, у которого 2 выходные обмотки. С обмоток выходные сигналы поступают на силовые ключевые диоды (из силовой части). Также для закрытия силовых транзисторов применяется «обвязка» из 2 транзисторов. Для контроля выходного силового сигнала в системе управления применяется схема с использованием операционного усилителя, который подает входной сигнал ШИМ-контроллеру. На узел операционного усилителя, помимо выходных сигналов, заводятся сигналы со всех защитных контуров, в результате чего прекращается генерация сигнала управления и схема перестает работать (отключается).

Достоинства инверторов

Способы подключения сварочного инвертора.

Инверторы имеют следующие преимущества:

1. Малая масса. Транзисторы весят значительно меньше трансформатора, поэтому масса прибора составляет 5 – 12 кг против 18 – 35 кг.
2. КПД инверторов достигает порядка 90%. Это связано с меньшими потерями на нагрев «железа». Сварочные трансформаторы сильно греются.
3. В связи с высоким КПД и низкими потерями в железе почти в 2 раза снижается электропотребление аппарата.
4. Устройство сварочного инвертора дает возможность регулирования силы тока, что позволяет осуществить сварочные работы в широком диапазоне, т.е. не требуется специальных аппаратов для различных материалов (типа меди или латуни). Это делает такой аппарат универсальным.
5. Сварочные инверторы более «лояльны» к ошибкам сварщиков. Почти все аппараты имеют автоматические режимы, которые не позволяют электроду залипнуть.
6. Стабильное выходное напряжение, не зависящее от перепадов (до 10%) напряжения в сети. Это позволяет получить стабильную сварочную дугу, параметры которой регулируются автоматически, при этом могут быть учтены даже мелкие помехи типа ветра.
7. Есть возможность применения любого типа электродов.
8. Многие аппараты позволяют программировать режимы работы. Это дает возможность более точно настроить аппарат на конкретную задачу.

Недостатки инверторов

1. Главным недостатком инверторов является цена, которая выше стоимости классических сварочных аппаратов на 20 – 50%.
2. Высокая стоимость ремонта. Обычно у этих аппаратов выходят из строя силовые транзисторы, которые составляют до 60% стоимости всего устройства. Соответственно, их замена влетит «в копеечку».
3. Невозможно использование инверторов в плохих климатических условиях: в дождь, снег или морозы. При снеге или морозах сварка должна проводиться в специальных шатрах, где обеспечивается температура выше 0 градусов.

Стоит отметить и короткие кабели питания, т.е. нельзя использовать удлинители. Обычно кабель питания имеет длину порядка 2 метров. Это вызвано тем, что в них наводятся помехи, которые вредят работе инвертора. В результате инверторы жестко привязаны к точкам подключения.