Принцип действия и описания схем сварочных инверторов. Изучаем как работает сварочный инвертор

Традиционные сварочные агрегаты, в конструкцию которых обязательно включены довольно громоздкие трансформаторы, сегодня энергично вытесняют инверторы для сварки. Чтобы понять работу сварочного инвертора, работающего от напряжения 140 вольт, нужно разобраться из каких элементов он состоит, по какой схеме он работает, его функциональные особенности, выявить плюсы и минусы инструмента.

Инвертор - современный инструмент, предназначенный для сварочных работ. Приборы данного типа интенсивно вытесняют из автомобильных мастерских, гаражей сварочные приборы, оснащенные трансформаторами, генераторы, выпрямители.

Принцип действия такого аппарата аналогично любому другому сварочному оборудованию основывается на выработке максимальной силы тока, необходимого для возбуждения дуги, дальнейшей ее стабильной работы. Как правило, дуга формируется между электродом и свариваемыми металлическими заготовками. В результате этого процесса металл расплавляется и заполняет пустоты между соединяемыми деталями, формируется очень прочный сварной шов, ничем не отличающийся от монолитных изделий. В традиционных сварочных агрегатах мощный ток вырабатывал стандартный трансформатор, в инверторном оборудовании сила тока увеличивается по иной технологии.

Общий принцип работы инверторных устройств

Преобразование тока в инверторных сварочниках в отличие трансформаторных происходит в несколько стадий с помощью трансформатора небольшой мощности, размеры которого практически не превышают пачку сигарет, и электронной схемы.

Для инверторного оборудования дополнительно предусмотрена система управления, благодаря которой с инструментом намного проще работать, а сварочный шов получается достаточно высокого качества.

Преобразование сетевого напряжения происходит следующим образом:

Первостепенно входной ток с параметрами – 220В, 50А пропускается через выпрямитель прибора, реформируется в постоянный, одновременно сглаживается фильтрами.
Постоянное напряжение, полученное при помощи модулятора, снова преобразуется в переменное напряжение, но его частота уже составляет практически 100 кГц.
Следующий шаг – выпрямление, понижение напряжения до необходимого значения для выполнения сварочных работ.

Применение высокочастотного преобразователя предоставило возможность использовать мини-трансформаторы. Благодаря этому инверторы значительно компактнее и имеют малый вес. К примеру, для того, чтоб инвертор выдавал сварочный ток 160А, будет достаточно трансформатора весом 250 гр. Для сравнения: для традиционной сварки, чтобы получить аналогичный сварочный ток, понадобится трансформатор весом 18 кг.

Электроника в процессе эксплуатации инверторных аппаратов имеет большое значение. Она необходима для обратной связи с электродугой. Это дает возможность четко поддерживать ее параметры на необходимом уровне. Микропроцессоры мгновенно предупреждают самые незначительные отклонения. В результате стабильность работы дуги гарантирована!

Как работает сварочный инвертор?

Преобразование в инверторе электроэнергии осуществляется следующим образом:

Переменный ток от сети 220В преобразуется в постоянный.
Далее ток постоянный снова реформируется в переменный ток посредством электрической схемы аппарата, но уже с достаточно большей частотой.
Высокочастотное напряжение понижается, увеличивается сила тока.
Полученный ток высокой частоты, пониженным напряжением, высокой силы реформируется в постоянный ток, который непосредственно используется для выполнения сварочных работ.

Изобретение современного инверторного оборудования предоставило возможность существенно снизить массу, размеры сварки. В аппаратах данного типа намного эффективнее производится регулировка сварочного тока. Габариты оборудования зависят от частоты тока. Чем она выше, тем размеры инвертора меньше.

Главная задача любого инверторного агрегата – повышение частоты сетевого электротока. Возможно это из-за применения транзисторов, переключающихся при частоте 60-80 Гц. Но, как правило, на транзисторы подается лишь постоянный ток, а в стандартной электросети переменный с частотой 50 Гц. Для того чтоб сделать переменный ток постоянным, инверторы оснащены специальными выпрямителями, сделанными на основании диодного моста.

В сварочниках данного типа после транзисторного блока, формирующего переменный ток повышенной частоты, размещается трансформатор, уменьшающий напряжение, повышающий силу тока. Для регулирования высокочастотного тока, напряжения используются компактные мини трансформаторы, не уступающие по мощности своим громоздким аналогам.

Преимущества

Небольшая потребляемая мощность . Для стандартного трансформатора при использовании электродов диаметром 3 мм потребуется мощность электросети порядки 8 кВт, а для инвертора необходимо не более 3 кВт при работе четырехмиллиметровыми электродами. На холостом ходу сварка инверторного типа также потребляет гораздо меньше электрической энергии.
Высокий КПД . Минимальные затраты на электромагнитную индукцию, формирующуюся в сварочных трансформаторах стандартного типа, предоставляет возможность достигать КПД инверторного оборудования больше 90 процентов. Энергия, потребляемая сваркой, практически в полном объеме уходит на электрическую дугу.
Малая масса, небольшие размеры . Как говорилось выше, применение для преобразования тока высокой частоты предоставило возможность существенно уменьшить размеры трансформатора, предназначенного для снижения напряжения.
При выполнении сварочных работ разбрызгивание расплавленного металла минимальное . Это особенно заметно при работе электродами небольшого диаметра. В данном случае дуга зажигается и работает достаточно мягко, в результате практически не образуется шлак, а сварочный шов получается высокого качества.
Плавная настройка параметров тока сварки . При эксплуатации сварочного инвертора, работающего от напряжения 140 вольт, уменьшить ток можно до 10A, а сваривание металлических образцов осуществлять электродами Ø1,6мм.
Улучшенные показатели дуги . Благодаря постоянному контролю, корректировке параметров дуги сварки, ее показатели значительно улучшились.
Возможность сваривания заготовок из нержавеющей стали, цветных металлов . При использовании специальных электродов инверторами можно сваривать детали из меди, нержавейки. А неплавящимися электродами можно варить алюминиевые образцы в газовой защитной среде.
Применение электродов разного типа . Плавная регулировка рабочих параметров агрегата предоставляет возможность применять электроды любого типа в зависимости от свариваемого металла. Также можно менять полярность тока.
Удобство, простота эксплуатации . Благодаря дополнительным функциям, к примеру, горячий старт, антизалипание при помощи инверторного оборудования качественно выполнять работы могут даже молодые неопытные сварщики.

Недостатки

Сложность конструкции . Использование для инверторного оборудования полупроводниковой электроники делает его менее надежным.
Высока цена . По сравнению с традиционной трансформаторной сваркой инверторы стоят намного дороже.
Чувствительность к строительной пыли . Инструмент достаточно чувствителен к строительной пыли, предполагает периодическую очистку в процессе работы на достаточно запыленных строительных участках.
Необходимость контроля нарушений контактов . Из-за плохих контактов происходит искрение, способное формировать в выходных цепях неконтролируемые автоматикой токовые скачки.
Негативное влияние температурных колебаний . Инверторным сварочным аппаратом не рекомендуется пользоваться сразу после резких скачков температуры. Если инструмент находился зимой в не отапливаемом помещении и его занесли для проведения сварочных работ в достаточно теплое помещение, то его не стоит включать на протяжении нескольких часов, так как существует большая вероятность выпадения конденсата. Поэтому перед началом работы нужно дать испариться влаге с электронных плат оборудования.

Итог

Несмотря на эти незначительные недостатки, при правильной эксплуатации, соблюдении правил безопасности инструмент характеризуется довольно продолжительным сроком службы.

Сварочным инвертором принято называть блок питания сварочного аппарата, оснащённый инвертором. Сам по себе инвертор – это устройство, преобразующее постоянное напряжение в высокочастотное переменное.

В двух словах, происходит следующее:

входной выпрямитель получает напряжение из электросети (220 В, 50 Гц) и постоянным током питает «косой мост» на ключевых транзисторах;
«косой мост» формирует прямоугольные импульсы высокой частоты (до 50 КГц). Преобразование позволяет применить в схеме высокочастотный импульсный понижающий трансформатор. Этот узел, благодаря материалу сердечника, весит на порядок меньше своего 50-герцового «собрата», что положительно сказывается на общей массе девайса. А это приводит к уменьшению веса всего сварочного аппарата. Кроме того, экономится медь и другие дорогостоящие материалы, из которых изготавливается оборудование. Импульсный трансформатор понижает высокочастотное напряжение до необходимого рабочего.

Схемотехническое решение и применение в инверторе специальных компонентов, позволили сконструировать устройство, не критичное, в широких пределах, к колебаниям напряжения питающей электросети. При понижении его ниже допустимого предела — происходит отключение генератора и загорается жёлтая лампочка «авария».

В этом и заключаются две «изюминки»: малый вес и некритичность в широком диапазоне к колебаниям напряжения источника питания;

выходной выпрямитель преобразует напряжение (уже имеющее необходимую амплитуду) в постоянное рабочее.

Внедрение указанных выше преобразований привело к тому, что в схемотехнике источника питания появилось большое количество всяких дополнительных элементов, обеспечивающих его стабильную работу.

Теперь рассмотрим принцип работы сварочного инвертора подробно.

Как работает сварочный инвертор

В качестве примера рассмотрим устройство сварочного инвертора бренда «TELWIN» (рисунки к указанному бренду отношения не имеют). Внешний вид платы с указанием расположения элементов схемы приведён на рисунке.

Схема сварочного инвертора состоит из двух основных частей: силовой и управляющей.

Силовая схема сварочного инвертора

Принципиальная схема приведена на рисунке (рисунки в статье кликабельные: для увеличения и удобства просмотра нажмите на него и он откроется в новом окне).

Электронный силовой блок состоит из следующих узлов:

сетевой выпрямитель;
помехозащитный фильтр;
инвертор;
выходной выпрямитель.

Сетевой выпрямитель

Выпрямитель состоит из:

двухполупериодного диодного моста;
сглаживающего фильтра из двух параллельных электролитических конденсаторов.

Через диодный мост протекают большие токи, и он нагревается. Для рассеяния тепла его устанавливают на охлаждающий радиатор. С целью предотвращения перегрева и выхода из строя диодного моста, на радиаторе установлен элемент защиты — термопредохранитель. Он отключает питание при превышении температуры радиатора выше 90 °С. Постоянное напряжение после выпрямителя и фильтра подаётся на инвертор.

Помехозащитный фильтр

Мощный инвертор в процессе работы создаёт высокочастотные помехи. Что бы исключить их попадание в электросеть, перед выпрямителем устанавливается фильтр ЭМС (электромагнитной совместимости). Фильтр состоит из конденсаторов и дросселя (в приведённой схеме — на тороидальном магнитопроводе).

Инвертор

Инвертор собран по схеме «косого моста» на двух мощных ключевых полупроводниковых приборах. В качестве последних могут быть транзисторы типов «IGBT» и «MOSFET». Оба ключевых транзистора монтируются на радиаторы для охлаждения.

На первичную обмотку импульсного понижающего трансформатора поступает напряжение со входного выпрямителя, прошедшее преобразование на ключевых транзисторах и ставшее высокочастотным. С одной из вторичных обмоток снимается уже значительно меньшее по амплитуде напряжение (рабочее значение, необходимое для сварки). Эта обмотка выполнена несколькими витками ленточного медного провода в изоляции, что позволяет производить сварку током 120…130 А.

Выходной выпрямитель

С вторичной обмотки импульсного трансформатора переменный ток высокой частоты поступает на высокочастотные мощные диодные выпрямители. Они собираются на базе сдвоенных диодов по схеме с общим катодом. Диоды обладают высоким быстродействием (время восстановления trr < 50 ns). С выхода этого выпрямителя снимается электрический ток с нужными для сварки параметрами.

А теперь рассмотрим управляющую часть схемы сварочного инвертора.

Управляющая схема сварочного инвертора

Принципиальная схема приведена на рисунке (напоминаем о кликабельности рисунка).

Электронный управляющий блок состоит из следующих узлов:

ШИМ-контроллер;
цепи регулировки и контроля:
блоки контроля напряжения сети и выходного напряжения.

ШИМ-контроллер

Схема управления имеет оригинальное решение. Поэтому, она будет рассматриваться подробнее силовой части.

«Мозгом» сварочного инвертора является микросхема ШИМ-контроллера (здесь и далее – обозначения по схеме: U1). Она, управляя работой мощных ключевых транзисторов, задаёт «ритм» работы всего преобразователя. Микросхема ШИМ-контроллера, посредством полевого N-канального MOSFET транзистора (Q4), передаёт на первичную обмотку разделительного трансформатора (T1) прямоугольные импульсы с высокой частотой — до 50 КГц. С вторичной его обмотки снимаются сигналы для управления работой ключевых транзисторов.

Защиту от возможного, в процессе управления, превышения допустимого напряжения между затвором и эмиттером ключевых транзисторов осуществляют стабилитроны (D16, D17, D29, D30).

Цепи регулировки и контроля

К цепям регулировки и контроля относятся:

трансформатор тока (Т2). Этот узел является основой анализатора-ограничителя тока. Снимаемое с него напряжение, после выпрямления и ограничения, участвует в работе схемы, формирующей сварочный ток, и генератора импульсов на ШИМ-контроллере;

узел контроля напряжения сети. Он состоит из элементов операционного усилителя, собранного на двух микросхемах (U2A и U2B). На резисторных делителях, установленных в цепях входного выпрямителя, выделяется напряжение электросети (завышенное или заниженное) и поступает на сумматор операционного усилителя. Последний вырабатывает результирующий сигнал и выдаёт его на задающий генератор импульсов – ШИМ-контроллер. При обнаружении напряжения ниже допустимого, он блокирует генератор, а, следовательно, и всю схему;
схема контроля выходного напряжения. Последнее снимается с выходов «OUT+», «OUT-» и через оптрон (ISO1), поступает в схему контроля (U2A и U2B). Таким образом, выполняется отслеживание параметров выходного напряжения.

Одновременно с отключением инвертора включается жёлтый светодиод (D12), который указывает на то, что в схеме неисправность или есть проблемы с сетевым питанием (отсутствует или ниже нижнего предела).

Трудно недооценить необходимость сварочных аппаратов в домашнем или дачном хозяйстве. Простота конструкции устройства позволяет производить их сборку самостоятельно.

Однако качество выполняемых работ зависит не только от умений, но и внутреннего устройства изделия. Данная статья посвящена устройству и принципам работы этих аппаратов.

Назначение

Сварочный аппарат относится к классу электрических устройств, предназначенных для формирования напряжения питания сварочной дуги. Принцип работы сварочного аппарата основан на преобразовании напряжения сети в сварочную дугу. Поскольку в дуге присутствуют большие токи (до 250 А), то чтобы их получить используют подход понижения напряжения питания дуги. Основная задача конструкции обеспечить устойчивую дугу, температура горения которой может доходить до нескольких тысяч градусов.

Типы сварочных аппаратов

Существует большое количество классификационных признаков, но в конструктивном плане электрические сварочные аппараты подразделяются на:

трансформаторные;
выпрямительные;
инверторные.

Устройство и принцип работы инверторной сварки

Устройство и принцип работы сварочного аппарата трансформаторного типа предполагают, что поддержание стабильности дуги при сварке происходит путём изменения индуктивного сопротивления вторичной (нагрузочной) обмотки. Это достигается введением реактивной катушки, а в мощных версиях – специальными магнитными шунтами.

Популярное решение состоит в раздвижении катушек, что приводит к изменению магнитного потока, в, свою очередь, к регулированию тока. Выпрямительная схема – самая простая. Регулировку выходного тока организуют с помощью тиристоров. Лучшими нагрузочными характеристиками обладает трёхфазная схема выпрямления.

Именно эту операцию реализует инвертор. Используя широтно-импульсное модулирование (ШИМ) происходит регулирование выходного тока. Этот принцип регулирования основан на изменении длительности выходных импульсов.

Этот агрегат вмещает:

питание силовой части;
непосредственно силовую часть;
ШИМ-регулятор;
питание слаботочной части;
управление, защита, индикация.

Достоинства

Инверторный тип сварки обладает рядом преимуществ, благодаря которым он заслужил доверие пользователей и популярность. Вот они:

малые габариты и масса конечного изделия за счёт отсутствия силового трансформатора;
плавность регулировки выходного тока, реализованная на основе ШИМ-контроллера, позволяет делать ровный шов;
возможность запоминания часто используемых режимов из-за наличия устройств памяти;
широкий спектр нагрузочных характеристик вплоть до плазменной резки.

Недостатками изделия считаютсясложность и стоимость конструкции.

Таким образом, учитывая все достоинства и недостатки сварочника выполнение "тонких" сварочных работ следует доверить аппаратам инверторного типа. Но, как всегда, главный выбор за пользователем.

Видео:

– это первое, с чем необходимо разобраться начинающему сварщику.

Эти приборы делятся по многим критериям даже если выбирать из ряда для бытового применения: сила тока, продолжительность сварки, тип напряжения на выходе и многое другое.

И для того, чтобы научиться различать по характеристикам и функционалу сварочные аппараты как выбрать подходящий прибор, нужно вникнуть не только в основы физики, но и конструктивно разобрать содержимое. Это даст понимание о принципе работы и таких характеристиках, как долговечность и надежность сварочного аппарата, к примеру, трансформаторный прибор состоит из пары катушек и конденсатора, там ломаться нечему.

Для начала, когда вы придете в строительный магазин, на каждый аппарат будут представлены характеристики:

ток сварки;
напряжение холостого хода;
продолжительность включения;
диаметр электрода;
тип сварочного тока;
тип сварочного аппарата;
тип сварки.

Ток сварки — параметр, от которого зависит, какой толщины металл он может варить, какой диаметр электродов подойдет. Для простых хозяйственных работ, производимых изредка с небольшой толщиной металла, подойдет и аппарат со 160 Ампер силой сварочного тока. Для среднего ремонта или небольшой стройки рекомендуется 200А, а для ответственных металлоконструкций, со сваркой швеллеров, несущих широкополочных уголков и так далее – вам нужно будет потратиться на 220А прибор.

Напряжение холостого хода , по-другому говоря – выходное напряжение, то есть то, которое образуется на участке вторичной цепи и протекает через сварочный электрод и изделие. В простых аппаратах эта характеристика встречается в пределах 20-60 В, редко – до 90 В. Более высокое напряжение применяется для сварки электродами с тугоплавкой обмазкой специфических сплавов. Эта характеристика подбирается в резонанс с током сварки (автоматически или в ручном режиме) и отвечает за лучшее зажигание и горение дуги. Если подобрать напряжение неправильно, то можно получить образование шлака и пор.

Продолжительность включения – процентная величина измерения времени, из 10-и минутного цикла, которое аппарат может беспрерывно работать на максимальном токе сварки. То есть, если в характеристиках к аппарату написано 70%, то это значит, что аппарат может работать 7 минут, и 3 должен отдыхать. Его также называют цикл работы, и некоторые производители могут давать не время работы на максимальном токе, а 100% ПВ на определенном, скажем, 140 А из поддерживаемых аппаратом 200 А.

Диаметр электрода , на который рассчитан аппарат, опытный сварщик может определить, взглянув на значение тока сварки, но все-таки он указывается в характеристиках. Для того чтобы узнать больше, рекомендуем статью « » — там можно найти таблицу зависимости диаметров электродов от тока сварки и толщины свариваемых деталей. В полуавтоматических сварочных аппаратах, в которых применяется сварочная проволока, указывается ее диаметр.

Тип сварочного тока может быть переменным (AC) и постоянным (DC), и от этого зависит в основном, тип свариваемого металла. Постоянным током можно сваривать все виды металлов, цветные включая. Простой бытовой сварочный аппарат с переменным током, как правило, приобретается только для сварки черного металла. В принципе, есть специальные электроды и приемы работы ручной электродуговой сваркой переменного тока по цветным металлам, но при этом возникает уйму сложностей, в том числе сильное разбрызгивание металла, а также сами электроды очень дорогие.

Тип сварочного аппарата – трансформаторные или инверторные, нового поколения. Об этом как раз пойдет речь дальше. О современных приборах, которые вмещают в себе электронные элементы управления, в том числе системы контроля перенапряжения, перегрева, поддержания горения дуги и др.

Тип сварки в данном случае – ручная электродуговая сварка плавящимися электродами (MMA). Тип сварки полуавтоматическими аппаратами сварочной проволокой в среде инертного газа обозначается как MIG/MAG. Есть еще обозначение ручной сварки неплавящимися (вольфрамовыми, угольными) электродами в защитной газовой среде – TIG.

Устройство, особенности и принцип работы трансформаторных сварочных аппаратов

Эти аппараты использовались с самого начала изобретения сварочных работ, и по сей день их «начинка» практически не поменялась. В основе лежит трансформатор, который понижает напряжение с входных 220/380 В на 20-90 В, при этом увеличивая силу тока до 140-220 А. Регулируется напряжение (и сила тока) путем перемещения подвижных частей трансформатора, либо по средствам управляемой реактивной катушки (дросселя), включенного во вторичную цепь, либо вместо него используется блок тиристорного фазорегулятора.

Стоит сразу же сказать о преимуществе аппаратов с тиристорным фазорегулятором перед амплитудными (подвижные трансформаторные сердечники или регулируемый дроссель) устройствами. Во-первых, уменьшается время перехода импульса через нулевое значение, благодаря чему сварочная дуга горит стабильнее, меньше вероятность затухания, а также качество сварного шва значительно повышается. Во-вторых, такой сварочный аппарат для дома и дачи, благодаря тиристорному фазорегулятору, не имеет подвижных механических деталей в трансформаторе и отсутствует дроссель с регулятором, благодаря чему цепь упрощается и прибор считается более надежным и долговечным.

На схеме выше находится трансформатор (А) с первичной (1) и вторичной (2) обмотками, а также реактивная катушка-дроссель (Б), включенная во вторичную цепь, идущую от обмотки. В данном случае трансформатор не имеет подвижных шунтов/обмоток, которыми регулируют силу тока и напряжение сварки. Эту функцию выполняет дроссель с подвижным регулятором. Кроме того, он нужен, чтобы не использовать трансформатор с увеличенным рассеянием, урезав, таким образом, конструкцию для повышения надежности и упрощения ремонта при надобности.

Из данной схемы следует, что переменный ток напряжением 220 В входит в трансформатор с нормальным рассеянием, из первичной катушки преобразуется во вторичной с характеристиками холостого хода (20-90 В). Проходя через регулируемый механически дроссель, приобретаются необходимые для сварки вольт-амперные характеристики (не будем углубляться в физику), а также появляется ограничение тока короткого замыкания.

Преимущества трансформаторных сварочных аппаратрв – это дешевизна и долговечность. Также легко проводить ремонт, потому что весь блок содержит всего пару деталей. Стоит отметить высокий КПД, равный 70-90%. На этом пересчет преимуществ окончен.

Недостатки более обширны, и основной из них – это частое прерывание горения дуги, которое обусловлено самим свойством переменного тока затухать в момент смены полярности. А также на стабильность сварочной дуги влияют колебания характеристик входного напряжения. Еще имеется проблема – громоздкость прибора, причем, чем больше мощность аппарата, тем массивнее трансформатор, и тем больше проседает напряжение в сети при его работе.

Устройство, особенности и принцип работы трансформаторных выпрямительных сварочных аппаратов

Эти устройства практически идентичны трансформаторным, с разницей лишь в том, что имеют выпрямительный блок и блок фильтров (в простейших моделях – фильтровальный конденсатор). Благодаря последним двум, на выходе из аппарата получается не переменный, а постоянный ток с вольт-амперными характеристиками, сформированными тем же трансформатором и реактивной катушкой-дросселем. Однако теперь ток приобретает полярность, которую можно использовать как прямую и обратную, с различными электродами и металлами, что дает расширенный функционал по сравнению с аппаратами переменного тока.

Схема представляет собой самый простой трансформаторный выпрямитель сварочного тока. В нем: статичный трансформатор с нормальный рассеянием (А) с основной (1) и вторичной (2) обмотками; выпрямительный блок (Б) на основе диодов (Б1); регулируемая реактивная катушка-дроссель (В); фильтровальный полярный конденсатор постоянного тока (Г). Подача на электрод условна и означает подключение прямой полярности, если поменять местами деталь и электрод, то получится сварка в обратной полярности.

В этом случае самый простой трансформатор, который вмещает в себе данное устройство сварочного аппарата, выдает переменный ток со скромными вольт-амперными характеристиками, который, пройдя через выпрямительный блок (Б), еще называемый диодным мостом, становится постоянным. Далее, для корректирования характеристик тока, в цепь вмещен управляемый дроссель (В), с присоединенным параллельно конденсатором, который выполняет функцию фильтра постоянного тока.

Преимущества аппаратов постоянного тока трансформаторного типа состоят в большей стабильности горения дуги и меньшем разбрызгивании металла при сварке. Соответственно, сварной шов получается более качественным, ровным и эстетичным. Кроме того, переменным током можно варить практически все металлы и сплавы.

Недостатки – из тех, что и у трансформаторных аппаратов переменного тока: влияние перепадов входного напряжения на горение дуги, сильная «просадка» напряжения сети при работе, а также очень большой вес. Дело в том, что диоды прикреплены к большим и увесистым радиаторам, плюс охлаждающихся дополнительным вентилятором – это в придачу к массивному трансформатору.

Устройство, особенности и принцип работы инверторных сварочных аппаратов

Сварочные инверторы – это современные высокотехнологичные приборы, которые по качеству сварки в разы превосходят трансформаторные аппараты. Они также имеют целый комплекс защит и контроля горения дуги, которые управляются специальным транзисторным блоком IGBT, который часто является самой дорогой частью прибора. С таким сварочным аппаратом довольно качественный шов может выполнить даже человек, который в первый раз в жизни взялся варить.

В отличие от устаревших аппаратов, в которых регулирование параметров тока и напряжения сварки происходит по средствам трансформатора с подвижными механическими частями, реактивной катушки-дросселя или фазного блока управления тиристорами, бытовой сварочный аппарат инверторного типа действует на вольт-амперные характеристики через преобразователь частоты. Этим достигается ряд преимуществ.

На блок-схеме показано условное подключение элементов: выпрямитель напряжения (А); фильтр постоянного тока (Б); инвертор – преобразователь частоты (В); блок управления (Г); трансформатор (Д); выпрямитель высокочастотного тока (Е). Блок управления современного образца основан на IGBT транзисторах, время работы которых в разы превосходит прошлое поколение. Принцип действия аппарата далее.

Входное переменное напряжение 220 В, бытовой частоты 50 Гц поступает сначала в выпрямитель (А), затем – в фильтр (Б), приобретая характеристики ровного постоянного напряжения. Далее инвертор/преобразователь частоты (В) превращает его обратно в переменное напряжение, но с частотой в десятки килогерц (кГц), после чего трансформатор (Д) производит понижение напряжения до холостого хода (20-90 В) с повышением сварочного тока (140-220 А). После следует выравнивание тока в высокочастотном выпрямителе (Е) и он подается на электрод/свариваемое изделие.

Вся «фишка» находится в том самом преобразователе частоты. Ведь для преобразования высокочастотного тока в холостого хода ток сварки, не нужно громоздкого трансформатора: в некоторых случаях, он может весить до килограмма.

Преимуществ инверторных сварочных аппаратов целый ряд: небольшой вес (до 10 кг) и размер; исключен нагрев обмоток и перемагничивание сердечника трансформатора; высокий КПД (85-95%); продолжительность включения 80%; потребляемая мощность при сварке одинаковыми электродами у инверторных аппаратов в 1,5-2 раза ниже, чем у трансформаторных источников. Прибор имеет плавную регулировку и большой диапазон значений тока сварки и напряжения холостого хода, что позволяет использовать тончайшие электроды (1,6 мм).

Для новичков имеется ряд функций: Hot start (автоматическое увеличение тока сварки в начале сварки для облегчения загорания дуги); Anti stick (предотвращение залипания электрода на поверхности по средствам понижения тока); Arc force (автоматически увеличение тока сварки на мизерный промежуток времени при отделении большой капли металла от электрода для предотвращения различных сложностей, последствий).

Недостатки также имеются, и весьма существенные, среди них: стоимость ремонта, требования к хранению и условиям окружающей среды при работе. Если накроется блок управления, а особенно если он на основе транзисторов IGBT, то за ремонт придется отдать даже половину стоимости нового аппарата. Электронная начинка подвержена влиянию различных факторов, поэтому прибор чувствителен к условиям хранения и работы. К примеру, пыль в помещении проникает в устройство и оседает на радиаторах охлаждения тиристоров, из-за чего может происходить перегрев.

Виды современных сварочных аппаратов для дома и дачи по степени механизации сварки

Говоря про оборудование для сварки бытовых/хозяйственных нужд, невозможно не упомянуть про то, какие бывают сварочные аппараты по степени механизации. Самые простые – трансформаторные, переменного тока для работы по черному металлу плавящимися электродами с защитной обмазкой (тип сварки MMA) мы рассмотрели. У них только одни способ применение по степени механизации – ручной труд. Суть его сводится к тому, что сварщик вручную осуществляет все рабочие операции на протяжении цикла работ, включая и замену электрода.

Можно отнести к сварке ручным способом электродами и остальные виды сварочных аппаратов, но они также могут быть в виде полуавтоматов, работающих с проволокой вместо электродов и подающих ее в автоматическом режиме по мере процесса сварки (тип сварки MIG/MAG). Преимущества таких аппаратов в том, что увеличивается скорость работы и проволока, которая замещает электроды, стоит гораздо дешевле. С другой стороны – аппарат сам по себе громоздкий, так как вмещает в себе устройство подачи проволоки, а также, сварка производится с применением защитного газа, выходящего из сопла сварочного аппарата параллельно с проволокой.

Есть вариант уменьшить громоздкость полуавтоматического сварного устройства, исключив баллон с газом: зарядить в устройство подачи так называемую порошковую проволоку, которая имеет в составе примеси, выделяющие при плавлении тот самый защитный газ. Но опять-таки, как выбрать сварочный аппарат для дома, если стоимость такой проволоки очень велика, что оставляет только одно преимущество перед ручной сваркой электродами – скорость сварки. Еще заметим, что полуавтомат может работать и с электродами в режиме ручной сварки.

На рисунке выше представлено главное конструкционное отличие полуавтомата – устройство подачи проволоки. Во всех подробностях механизмы и устройство сопла с подачей газа рассматривать не будем в этой статье, так как тема обширная, но необходимо знать, из каких модулей состоит такой аппарат: источник питания (трансформатор с выпрямителем или инвертор), уст-во подачи проволоки, газовый баллон, горелка с газовым диффузором и контактным наконечником.

Сварочные инверторы всё более уверенно занимают нишу производственного сварочного оборудования, приходя на смену традиционной трансформаторной технике. В том, что этот тренд носит глобальный характер, сомневаться не приходится.

Инверторное оборудование объективно успешней справляется со стоящими перед ним задачами.

Превосходство сварочных инверторов над классическими преобразователями трансформаторного типа просматривается как в технологическом, так и в экономическом аспекте.

Если вкратце перечислить преимущества, приобретаемые при внедрении инвертора, получится примерно следующее:

более высокий коэффициент полезного действия, превышающий 90%, что предопределяет само устройство сварочного инвертора, характеризуемое отсутствием магнитных потерь в стальном сердечнике трансформатора, присущим «классике»;
способность работать в условиях изменения уровня питающего напряжения в широких пределах, не снижая при этом технологических параметров;
возможность очень точной установки тока сварки с цифровой индикацией его величины и жёстким поддержанием уровня в процессе сварки;
кардинально сниженные габаритные размеры и вес конструкции;
целый ряд совершенно новых возможностей, присущих только инверторным аппаратам, вот только некоторые из них.

К новым возможностям относится наличие специфических функций, среди которых hot start, anti sticking, arc force, и других, делающих процесс сварки доступным даже новичку. Есть возможность использования электродов, предназначенных для сварки, как переменным, так и постоянным током.

Что касается обычно называемых недостатков, присущих данному виду оборудования, то в первую очередь, речь идёт о сравнительно высокой цене этих приборов.

По этому поводу можно сказать следующее. Вспомните, как изменялись цены компьютерных и мобильных новинок буквально в течение нескольких лет. Дальнейшее совершенствование технологии и увеличение массовости производства неизбежно приведут к значительному снижению цен на сварочные инверторы.

Пояснения на схеме

Принцип работы сварочного аппарата, построенного на основе инвертора, иллюстрирует схема.

Частота генерируемого при работе инвертора тока достигает значения нескольких десятков килогерц. Именно высокая частота лежит в основе принципа работы аппарата инверторной сварки.

Благодаря принципу высокочастотного преобразования удалось добиться снижения веса и уменьшения размеров сварочных аппаратов в несколько раз.

В основном это обусловлено очень малой массой и габаритами высокочастотных трансформаторов, конденсаторов и дросселей.

Управление током

Регулирование сварочного тока инвертора производится посредством электронного регулятора с обратной связью, изображённого на схеме. С помощью потенциометра, расположенного на лицевой панели сварочного инвертора, выбирается требуемая величина тока сварки.

При вращении ручки потенциометра, устанавливается некий уровень опорного напряжения на входе логических элементов, построенных на операционных усилителях.

Сигнал, поступающий по линии обратной связи с датчика тока, расположенного на выходе аппарата, сравнивается компаратором с уровнем заданного регулирующим потенциометром напряжения.

При несовпадении уровней напряжения задающей цепи и сигнала датчика тока, происходит изменение амплитуды управляющего импульса, поступающего на контроллер.

При этом происходит изменение скважности импульсов, генерируемых контроллером, что вызывает изменение режима переключения транзисторов и в конечном итоге, величины тока сварки.

То есть, принцип регулирования заключается в том, что схема всегда стремится поддерживать соответствие между значениями заданного и фактического тока, что обеспечивает его стабильность.

В качестве контроллера, формирующего регулируемые сигналы широтно-импульсной модуляции, обычно применяется микросхема TL494, производимая американской фирмой Texas Instruments, либо её аналоги.

Приведённая структурная схема показывает только принцип работы и взаимодействия отдельных функциональных блоков. Детализованная электросхема каждого типа инверторов может иметь индивидуальные особенности.

Автоматические функции сварочного оборудования

Чтобы понять, как работают инверторные сварочные аппараты в различных ситуациях, следует ознакомиться с принципом работы некоторых их функций.

ARC FORCE

Эта функция призвана осуществлять форсирование дуги. В процессе работы сварщика иногда капля расплавленного электрода, не оторвавшись вовремя и не попав в сварочную ванну, зависает, уменьшая зазор.

Это может грозить прилипанием электрода к детали. Принцип работы arc force заключается в кратковременном увеличении тока, который «сдувает» каплю металла.

ANTI STICK

В начале работы, в процессе розжига дуги, электрод может прилипнуть к заготовке. Принцип функции anti stick состоит в том, что в этот момент происходит резкое снижение сварочного тока. После отрыва электрода режим работы аппарата возвращается к норме.

HOT START

Работа этой опции помогает легко зажечь электрическую дугу. Принцип данной автоматической функции прост. При разжигании дуги, в момент отрыва электрода от заготовки, происходит кратковременное увеличение значения сварочного тока, что способствует более надёжному розжигу дуги.

Все функции способствуют более быстрой и надежной работе инвертора, что в итоге приводит к высокому качеству сварного шва.