Как работает электросварка. Инвертор сварочный – принцип работы Как работает инверторный сварочный аппарат схема

Современное оборудование для электросварки предлагает множество современных решений для продуктивной и производительной роботы, в том числе новое поколение аппаратов для сварки – инверторы. Что это такое и как устроен сварочный инвертор?

Инвертор современного типа представляет собой сравнительно небольшой агрегат в пластиковом корпусе общим весом 5-10 кг (в зависимости от вида и типа модели). Большинство моделей имеют прочную текстильную ленту, позволяющую сварщику удерживать агрегат на себе в процессе работы и носить его с собой при перемещении по объекту. На фронтальной части корпуса находится плата управления сварочного инвертора – регуляторы напряжения и других параметров, делающие возможной гибкую настройку мощности во время работы.

Современные аппараты для сварки классифицируются на бытовые, полупрофессиональные и профессиональные, которые отличаются потребляемой мощностью, диапазоном настроек, производительностью работы и другими характеристиками. На рынке популярностью у покупателей пользуются модели российских и зарубежных производителей. В рейтинг наиболее востребованных входят КЕДР ММА-160, Ресанта САИ-160, ASEA-160D, ТОРУС-165, FUBAG IN 163, Rivcen Arc 160 и другие модели.

Как работает сварочный инвертор

Инвертор отличается другим принципом действия и эксплуатационными характеристиками в сравнении с трансформаторными источниками питания. Такое устройство и принцип действия сварочного инверторного аппарата позволяет использовать трансформаторы меньших размеров, нежели сетевые трансформаторы. Современные инверторы для сварки оснащены панелью управления, позволяющей контролировать процессы преобразования тока.

Детально принцип работы сварочного инвертора можно описать по этапам преобразования энергии тока:

Предлагаем посмотреть видео, и закрепить знания по устройству и принципу работы сварочного инвертора

Основные параметры сварочных инверторов

Потребляемая мощность инверторов

Важным показателем работы вида оборудования является потребляемая мощность сварочного инвертора. Она зависит от категории оборудования. Например, бытовые инверторы предназначены для работы от однофазной сети переменного тока 220 В. Полупрофессиональные и профессиональные аппараты обычно потребляют энергию от трехфазной сети переменного тока до 380 В. Следует помнить, что в бытовой электросети максимальная нагрузка тока не должна превышать 160 А, и вся фурнитура, включая силовые автоматы, штепсели и розетки не рассчитаны на показатели выше этой цифры. При подключении аппарата более высокой мощности может вызвать срабатывание автоматов защиты, выгорание выходных контактов на вилке или выгорание электрической проводки.

Напряжение холостого хода инверторного аппарата

Напряжение холостого хода сварочного инвертора – второй важный показатель работы устройства данного типа. Напряжение холостого хода – это напряжение между положительными и отрицательными выходными контактами при отсутствии дуги, которое возникает в процессе преобразования тока питающей сети на двух последовательных преобразователях. Стандартный показатель холостого хода должен находиться в пределах 40-90В, что является залогом безопасности работы и обеспечивает легкое зажигание дуги инвертора.

Продолжительность включения сварочного инвертора

Другим важным классифицирующим показателем работы аппаратов для инверторной сварки является его продолжительность включения (ПВ), то есть максимальное время непрерывной работы прибора. Дело в том, что при продолжительной работе под высоким напряжением, а также в зависимости от температуры окружающей среды, агрегат может перегреваться и выключаться через разный промежуток времени. Продолжительность включения обозначается производителями в процентах. Например, 30% продолжительность включения означает способность оборудования работать непрерывно на максимальном токе 3 минуты из 10. Уменьшение частоты тока позволяет продлить продолжительность включения. Разные производители указывают разную ПВ, в зависимости от принятых стандартов работы с аппаратом.

В чем отличия от сварочных аппаратов предыдущих поколений

Раньше для сварки использовались различные виды агрегатов, с помощью которого получали выходной ток нужной частоты для возбуждения дуги. Различного вида трансформаторы, генераторы и другое оборудование имели ограничения в эксплуатации, в большей мере из-за своих больших внешних характеристик. Большинство аппаратов предыдущего поколения работали только вместе с громоздкими трансформаторами, которые преобразовывали сетевой переменный ток в высокие токи на вторичной обмотке, делая возможным возбуждение сварочной дуги. Главным недостатком трансформаторов были их большие габариты и вес. Принцип действия инвертора (увеличение выходной частоты тока) позволил уменьшить размеры установки, а также получить большую гибкость в настройках работы аппарата.

Достоинства и основные характеристики инверторных аппаратов

К достоинствам, делающих инверторный источник сварочного тока наиболее популярным видом сварочных аппаратов, можно причислить:

• высокий КПД – до 95% при сравнительно низком потреблении электричества;
• высокая продолжительность включения – до 80%;
• защита от перепадов напряжения;
• дополнительное увеличение мощности при разрыве дуги (т.н. форсаж дуги);
• небольшие габариты, компактность, позволяющая удобно переносить и хранить агрегат;
• сравнительно высокий уровень безопасности работы, хорошая электроизоляция;
• лучший результат сварки – аккуратный качественный шов;
• возможность работы с трудносовместимыми металлами и сплавами;
• возможность использования любых типов электродов;
• возможность регулирования основных параметров при работе инвертора.

Главные недостатки:

• более высокая цена в сравнении с другими типами сварочных аппаратов;
• дорогостоящий ремонт.

Отдельно следует упомянуть о еще одной особенности данной разновидности сварочных аппаратов. Инверторный аппарат является очень чувствительным к влаге, пыли и другим мелким частицам. При попадании внутрь пыли, особенно металлической, прибор может выйти из строя. То же самое касается влаги. Хотя производители оснащают современные инверторы защитой от попадания влаги и пыли, следовать правилам и мерам предосторожности при работе с ними все же стоит: не работать с прибором во влажной среде, возле работающей «болгарки» и т.д.

Низкие температуры – еще один «пунктик» всех инверторов. На морозе прибор может не включиться из-за сработавшего датчика перегрузки. При низких температурах также может образоваться конденсат, что может повредить внутренние электросхемы и вывести аппарат из строя. Поэтому, при регулярной эксплуатации инвертора необходимо регулярно «продувать» его от пыли, защищать от влаги и не работать при низких температурах.

Сварочные инверторы постепенно вытесняют традиционные сварочные аппараты с рынка бытовых и строительных услуг. Принцип работы сварочного инвертора на порядок выше производственных характеристик классических агрегатов сварного промысла. Процесс замещения идет стремительно, и, без сомнения, наступит день, когда такие аппараты полностью заменят традиционное сварочное оборудование.

Инвертор: устройство и принцип действия

Слово «инверторный» подразумевает тип источника питания, а не методику сварки электродугового плана, как многие думают. Инверторы появились не вчера. Это произошло в 70-х годах прошлого столетия. Все эти годы устройства совершенствовались: производители начинили свою продукцию электроникой, добавили множество полезных функций. Со временем аппараты стали более надежными, что не отразилось на цене — напротив, она заметно снизилась.

Устройство сварочного инвертора включает два преобразователя энергетического потока, работающих на основе электричества повышенной интенсивности и управляемых микропроцессором с электронной начинкой.

В процессе работы сварной агрегат преобразует поступающий постоянный ток в силу переменного тока более высокой частоты. Процесс преобразования называют «инвертированием». В его основе — ступенчатое увеличение энергии тока до максимального при выходе.

Принцип работы инвертора подразумевает несколько ступеней:

1. К выпрямителю подходит ток от основной сети, частота его — 50 Гц.
2. Поступившую энергию тока сглаживает фильтр, на выходе данного этапа — постоянный ток.
3. Полученная энергия постоянного тока инвертируется специальными транзисторами в ток переменного плана, частота его уже выше — до 50 кГц.
4. На следующем этапе высокая частота напряжения выходит на более низкий уровень, снижаясь, примерно, до 70 В; ток достигает нужных для сварного дела 200 А.

Основное техрешение — высокая частота тока. Именно благодаря ей достигается колоссальное преимущество работы с инвертором по сравнению с традиционными ресурсами питания сварной дуги.

Для примера принципа работы можно взять сварочный агрегат мощностью в 160 А, которого достаточно для работы на электроде 4 мм. Если придется включать его в сеть на даче или в гараже, то лучше проверить напряжение сети, рассчитанной на 220 В. При заниженном напряжении возможно залипание электрода. Если напряжение в сети слишком низкое, то система может не запуститься. В этом случае придется брать другой сварочный инвертор большей мощности или приспосабливаться варить более тонким электродом.

Вернуться к оглавлению

Работа с инвертором: оборудование и этапы сварки

Для сварки инвертором под рукой надо иметь:

• собственно сам аппарат;
• перчатки, сшитые из ткани грубой текстуры;
• сварную защитную маску;
• куртку.

Этапы сварного дела со сварочным инвертором:

1. Выбор электродов, для инверторной сварки нужны будут электроды до 5 мм.
2. Настройка мощности тока, которая зависит от выбранного размера электрода (как правило, производители предусматривают на панели регулятор с указанием необходимой мощности).
3. Подключение клеммы массы к свариваемым кромкам материала; электрод, во избежание залипания, быстро подносить не следует.
4. Запал дуги; электрод надо подносить под углом, периодично дотрагиваясь до свариваемого материала для активизации выбранного электрода, затем вести им вдоль шва, не делая перпендикулярных движений, иначе можно получить нежелательный эффект разбрызгивания металла.
5. Завершающий этап: после получения шва необходимо убрать накипь металла, окалину обычно убирают небольшим молотком.

Для удачного приобретения инверторной продукции необходимо знать устройство сварочного инвертора и принципы его работы, чтобы в случае поломки можно было его отремонтировать, поскольку сегодня очень востребованы и доступны по стоимости аппараты для сварки инверторного типа. Приобрести их можно в магазине или же изготовить самостоятельно.

Принцип действия сварочного инвертора

Сам сварочный инвертор — это своеобразный блок питания с большой мощностью. Принцип его работы схож с импульсными блоками питания. Сходство заключается в особенностях трансформирования энергии, а именно в следующих шагах.

Шаги преобразования энергии в аппарате для сварки:

• выпрямление переменного тока сети 220 вольт;
• преобразование постоянного тока в высокочастотный переменный;
• снижение напряжения высокой частоты;
• выходное выпрямление пониженного тока.

Раньше основой сварочного устройства был силовой высокомощный трансформатор. Уменьшая переменный ток сети, он давал возможность получать нужные для сварки высокие токи благодаря вторичной обмотке. Трансформаторы, работающие на обычной частоте сети переменного тока 50 Гц, очень объемные по размерам и много весят.

Поэтому, чтобы избавиться от этого недостатка, был придуман сварочный инвертор. Его размеры удалось уменьшить благодаря увеличению частоты для его работы до 80 и более кГц. Чем больше рабочая частота, тем меньше габариты устройства. Масса, соответственно, тоже меньше. А это экономия на материалах для его производства.

Откуда взять эти частоты при показателе 50 Гц в сети? Для этих целей придумана инверторная схема, которая складывается из транзисторов высокой мощности, переключаемых с частотой от 60 до 80 кГц. Но для того чтобы они функционировали, им нужно подавать постоянный ток. Его можно получить при помощи выпрямителя, состоящего из диодного моста, а также фильтров для сглаживания. В конечном результате выходит постоянный ток 220 вольт. Инверторные транзисторы подсоединены к трансформатору, понижающему напряжение.

Поскольку переключение транзисторов происходит при высокой частоте, то и трансформатор работает на такой же. Для работы на высокочастотных токах нужны менее объемные трансформаторы. Получается, что размеры инвертора небольшие, а рабочая мощность не меньше, чем у его громоздкого предшественника, работающего с частотой 50 Гц.

Вследствие необходимости преобразования устройства появился ряд дополнительных деталей для его бесперебойной работы. Познакомимся с ними поближе.

Вернуться к оглавлению

Особенности устройства сварочного инвертора

Чтобы уменьшить размеры и вес, устройства для сварки собирают по инверторной схеме.

Базовая схема сборки:

• низкочастотный выпрямитель;
• инвертор;
• трансформатор;
• высокочастотный выпрямитель;
• рабочий шунт;
• электронный блок управления.

Каждая модель инвертора имеет свои особенности, но все они основаны на применении высокочастотных импульсных преобразователей. Как писалось ранее, переменный ток 220В с помощью мощного диодного моста выпрямляется и сглаживается конденсаторами.

На конденсаторах для фильтрации сила тока будет в 1,41 раза больше, чем на выходе из диодов для выпрямления. То есть при напряжении в 220 вольт на диодном мосту на конденсаторах получим 310 вольт постоянного тока. В сети сила тока может меняться, следовательно, конденсаторы рассчитаны на рабочую область с запасом (400 вольт). Обычно используются диоды Д161 или В200. Диодная сборка GBPC3508 работает при прямом токе 35 А. Через диоды проходит высокое напряжение, и они нагреваются. Поэтому их устанавливают на радиатор для охлаждения. В качестве элемента защиты на радиатор прикреплен температурный предохранитель. Он размыкается, если температура повышается до +90°С.

Конденсаторы устанавливают разного объема, в зависимости от модификации устройства. Емкость их может достигать размера 680 мкф.

Постоянный ток с выпрямителя и фильтра поступает на инвертор. Он собирается по схеме «косого моста» и складывается из двух ключевых транзисторов большой мощности. В аппарате для сварки основными транзисторами могут быть IGBT или высоковольтные MOSFET. Эти составляющие крепятся на радиатор, чтобы отводить лишнее тепло.

В сварочном аппарате должен еще быть качественный высокочастотный трансформатор, который является источником для понижения напряжения. В инверторе он весит в разы меньше, чем силовой трансформатор в сварочном аппарате. Первичная обмотка состоит из 100 витков ПЭВ толщиной 0,3 мм. Вторичные обмотки: 15 витков медной проволоки 1 мм, 2 обмотки по 20 витков с сечением 0,35 мм. Намотки первичной и вторичных обмоток должны совпадать. Все обмотки должны быть изолированы с помощью лакоткани или фторопластовой ленты для улучшения проводимости. Выходы всех обмоток на месте скрепления защищают и запаивают.

Кроме основных компонентов инвертора есть еще режим антиприлипания электрода, плавная регулировка сварочного тока, защитная система от перегрузок.

Специалист с легкостью может настроить необходимый сварочный ток и регулировать его во время сварочных работ. Диапазон тока достаточно широк — 30-200 А.

Выходной выпрямитель состоит из мощных двойных диодов и одного общего катода. Их особенность в высокой скорости действия. Поскольку их задача — выпрямлять высокочастотный переменный ток, то простые диоды с этим не справятся. У них скорость закрытия и открытия слишком мала, а это повлекло бы перегревание и быструю поломку. При поломке выходных диодов их нужно менять именно на быстродействующие. Они, как и обычные, монтируются на радиатор.

Во время включения сварочного инвертора идет заряд на электролитические конденсаторы. Сила этого тока сначала очень большая и может спровоцировать перегревание и поломку выпрямительных диодов. Чтобы этого избежать, используется схема «мягкого пуска». Главный компонент ее — резистор мощностью 8 Вт. Как раз он является ограничителем силы тока во время запуска аппарата.

После окончания зарядов конденсаторов и начала штатной работы устройства контакты электромагнитного поля замыкаются. Дальше резистор не принимает участия в работе, ток курсирует через реле.

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.

Сварочный аппарат для электродуговой сварки состоит, в принципе из двух частей - источник притания, принимающий напряжение от бытовой сети и непосредственно, сварочный узел - держатель электрода, электрод и нулевой провод. В момент кратковременного касания электродом места соединения возникает пробой (проскакивает искра) воздушного промежутка. В этот момент сварщику необходимо, с одной стороны, успеть отодвинуть разогретый кончик электрода от металлической детали, что бы избежать его прилипания, а с другой стороны, удержать расстояние между электродом и деталью минимальным, что бы сохранялась дуга.

Дуга представляет собой продолжительный электрический разряд между концом электрода и областью сварного шва изделия (дуговой зоной). Температура катодной области электрода превышает 3000 градусов, при относительно небольшом значении разности потенциалов - 20-25 В. При зажигании дуги сначала происходит пробой воздушного промежутка электронами, потом, в течение микросекунд, процесс стабилизируется и в дуговом промежутке, в результате ионизации электронами молекул газов, появляется также ионная проводимость. Стабилизатором горения дуги является плавящаяся и испаряющаяся обмазка электродов.

При сварке электрод плавится под действием высокой температуры. На конце электрода образуется капля расплавленного металла, которая отрывается и переносится на металл изделия. При этом переносится до 95% материала электрода, остальное же превращается в пары и брызги. Размеры капель и скорость их образования зависят от силы тока, диаметра электрода, длины дуги и ряда других условий. Электроды для покрываются оболочкой, образующей шлак, укрывающий капли металла. Поэтому они не замыкают дуговой промежуток при его прохождении.

Источник питания - сварочный трансформатор.

Для улучшения характеристик сварочного аппарата используются различные дополнительные элементы цепи. В частности, распространенным способом улучшения устойчивости дуги является включение балластного сопротивления, балластника. Балластник изготавливается из проволоки с большим удельным сопротивлением (нихром). Полученное сопротивление в сотые доли Ома смягает вольт-амперную характеристику трансформатора. В результате, хотя и происходит потеря мощности в 20-30 процентов, дуга становится менее капризна к действиям сварщика, поскольку допускает меньшую точность расположения электрода относитьльно металла.

Улучшение характеристик сварочного аппарата.

Некоторой проблемой для сварки является использование переменного напряжения электрической сети. При этом дуга, условием существования которой является перенос капель металла в одном направлении (с электрода), очевидно поддерживается только в короткие промежутки времени (на пике синусоиды). Для увеличения длины этого промежутка вместо балластного сопротивления ставится дроссель. Благодаря самоиндукции катушки дросселя, синусоида "размазывается", увеличивая тем самым эффективность аппарата. Такое решение достаточно дорого, и ведет к увеличению размеров и веса аппарата, поэтому используется, как правило, в промышленных стационарных устройствах для сварки.

Другим путем преодоления данного недостатка является выпрямление тока посредством одного или нескольких диодных мостов. Горение сварочной дуги при использовании постоянного тока более стабильно, швы получаются более качественными, легче поддерживаются пониженные значения сварочных токов. Существуют типы электродов, в частности электроды для сварки нержавеющей стали, которые работают только на постоянном токе. Впрочем, электроды, предназначенные для переменного тока, нормально работают и на постоянном токе. Постоянный ток в бытовых сварочных аппаратах получается путем выпрямления переменного тока с помо­щью полупроводниковых выпрямительных мостов. Диодный мост подключается к выходу сварочного трансформатора.