Устройство и принцип работы сварочного аппарата

На выходе инвертора мы получаем не синусоиду, а приближенную к прямоугольной форме импульсы. Тем не менее, это не создает проблем для дальнейшего выпрямления. Более того, высокая частота сигналов позволяет использовать компактные трансформаторы во вторичном режиме выпрямления.

Как устроен инверторный сварочный аппарат

В последние годы инверторные сварочные аппараты стали все чаще подаваться в сварочной практике, вытесняя традиционные трансформаторные модели. Причины такого выбора кроются в том, что инверторные устройства значительно более эффективны и удобны в использовании, не перегружая при этом электроэнергетическую сеть. Именно благодаря особенностям конструкции, инверторные аппараты обеспечивают более легкое и стабильное сведение.

Для начала, давайте разберемся, что такое инверторный сварочный аппарат. Это устройство, создающее условия для ручной или полуавтоматической сварки и работающего от сети переменного напряжения. Существуют модели, работающие от 220 В, а также от 380 В. При этом, вне зависимости от числа фаз в системе, сварочный ток, проходящий через электрод, остается постоянным. Это сокращает вероятность возникновения скачков дуги, что делает процесс сварки более простым и удобным. Есть и множество функций, таких как защита от перегрева и антизалипание, и это далеко не все достоинства инверторных аппаратов.

Сварочные инверторы также имеют существенно меньшие размеры и вес по сравнению с трансформаторными моделями. Это особое преимущество, когда требуется мобильность и удобство транспортировки. Кроме того, их работа не создает серьезных напряженческих скачков в сети.

Почему же инверторные аппараты отличаются от своих трансформаторных предшественников? Все дело в трехступенчатом процессе преобразования напряжения. На первом этапе переменное напряжение преобразуется в постоянное, затем оно вновь преобразуется в переменное, но с высокой частотой. После этого, вторичный выпрямитель снова преобразует полученное переменное напряжение в постоянный ток, который как раз и используется для сварки. Этот принцип работы — основа функционирования инверторного сварочного аппарата.

Современные сварочные инверторы, благодаря совершенным схемотехническим решениям, располагают высокой надежностью.

Как работает инверторный сварочный аппарат: блок-схема

Хотя принципиальные схемы инверторных сварочных аппаратов могут несколько различаться в зависимости от производителей, все они, тем не менее, состоят из одних и тех же базовых блоков, так как основы идут от идентичных принципов работы.

Первичный выпрямитель, который работает на низкочастотной сети (50 Гц), отвечает за преобразование сетевого напряжения в постоянный ток, который подается на вход инвертора. Инвертор, в свою очередь, преобразует это постоянное напряжение в переменное с высокой частотой — в пределах десятков килогерц. Затем высокочастотный трансформатор понижает напряжение и одновременно увеличивает ток, который может превышать 250 А — именно такая сила тока нужна для сварки. Вторичный выпрямитель преобразует высокочастотное переменное напряжение в постоянное, а дроссель завершает этот процесс, подавая постоянный ток на электрод.

На изображении представлена блок-схема, представляющая работу инверторного сварочного аппарата.

Инвертор, ключевой компонент всей системы, является устройством, способным преобразовать постоянный ток в переменный с возможностью регулировки величины напряжения. Он чаще всего представлен в виде генератора периодического напряжения, форма которого приближена к синусоиде или может быть дискретного типа сигнала.

Большинство инверторных сварочных аппаратов также включают контроллеры и системы поддержания заданных параметров. Обычно они построены на базе высокопроизводительных процессоров, однако существуют и электромеханические варианты.

Для чего нужны все эти преобразования и почему инверторный сварочный аппарат такой маленький и легкий

Зачем же необходимо столько ступеней преобразований? Первостепенная задача — получить на выходе ток в сотни ампер, не перегружая при этом электрическую сеть. Вторая важная причина — обеспечение постоянного тока, так как работа с ним делает сварку более простой и контролируемой. Стабилизация дуги на таком токе значительно упрощает качество самой работы.

Устройство сварочного инвертора: описание работы и назначение блоков на базе схемы РЕСАНТА САИ 140

Несмотря на разнообразие принципиальных схем, применяемых разными производителями инверторных сварочных аппаратов, все они имеют схожие элементы и функциональные блоки. Основными компонентами служат входной выпрямитель с мощным диодным мостом и сглаживающими конденсаторами, инвертор, работающий на ключевых транзисторах (в частности, IGBT или MOSFET), а также выходной выпрямитель, построенный на высокочастотном понижающем трансформаторе и соответствующем диодном мосте, зависящем от выходного конденсаторного фильтра.

На этом изображении представлена принципиальная схема инверторного сварочного аппарата РЕСАНТА САИ 140. Мы будем изучать её с целью понимания работы сварочного инвертора.

Первичный выпрямитель и конденсаторный фильтр

Первичный выпрямитель имеет своей задачей преобразование синусоиды с частотой 50 Гц в постоянный ток. В реальности он создает ток, который не является абсолютно ровным, а обладает некоторой пульсацией, но всё равно это значительно дальше от исходной синусоиды. Принцип работы осуществляется с использованием стандартного диодного моста, который поворачивает нижнюю полуволну синусоиды в положительное направление.

На этом изображении виден входной выпрямитель, который реализует первое преобразование напряжения в схеме Ресанта САИ 140.

Сетевое напряжение проходит через входную стабилизирующую группу, поступая к конденсаторам С1 и С2. Основной функционал этих конденсаторов заключается в сглаживании статического напряжения на землю. Именно поэтому следует подключать инверторный сварочный аппарат в сети, обеспечивающей адекватное заземление для избежания потенциальной опасности.

Далее, работа диодного моста обеспечивают преобразования нижней полуволны. На выходе моста возникает пульсирующее напряжение. Для того чтобы уменьшить пульсацию используется дополнительный набор конденсаторов. В данной схеме это конденсатор С8 с ёмкостью 1 микрофарад, работающий на 400 В. На выходе конденсаторов уже получается постоянное напряжение. Эти конденсаторы имеют значительный запас по напряжению — от 400 В и выше, ведь на выходе диодного моста наблюдается напряжение выше сетевого — примерно 320-350 В. Учитывая возможные колебания, использование конденсаторов с запасом напряжения является необходимым шагом.

Как конденсаторы, так и диоды в ходе работы весьма сильно нагреваются. Для их надёжного охлаждения используются алюминиевые радиаторы. Часто дополнительно устанавливаются вентиляторы для лучшей циркуляции воздуха. Для долговечности сварочного аппарата крайне важно, чтобы охладительные системы находились в исправном состоянии.

Инвертор

Блок инвертора предназначен для преобразования постоянного тока низкой частоты в переменное напряжение с высокой частотой. Обычно данная функция реализуется на основе транзисторов ключевого типа, с быстрым открытием и закрытием, создающих переменное напряжение с частотой в десятки килогерц. Управляет процессом переключения контроллер, который точно задает режим работы инвертора.

Пример силовых транзисторов G30N60, применяющихся для преобразования постоянного тока в высокочастотный переменный ток.

Устройство

Когда упоминаются сварочные машины и аппараты, все чаще подразумеваются инверторные системы. Ранее инверторные аппараты воспринимались как простые решения для сварки, однако в последние годы они значительно улучшились за счет введения более сложной электроники. Технологические возможности инверторов значительно расширились, что делает их использование более эффективным.

Кроме того, функциональность этих изделий увеличилась, на фоне относительно стабильных цен.

Важно отметить, что сварочный инвертор по своей конструкции вырабатывает электрическую схему, близкую к использованию блоков питания в компьютерах и ноутбуках. Это объясняется тем фактом, что обе конструкции решают аналогичные задачи. Ранее основной компонент таких аппаратов был трансформатор высокой мощности, который понижает напряжение и гарантирует передачу силовых токов со вторичных обмоток. Эти характеристики достаточно для выполнения типовых сварочных работ. Однако традиционные модели инверторов были тяжеловесными, и сварщики с удовольствием приняли облегченные варианты.

Ключевым элементом в новых разработках становятся транзисторы, соединенные с понижающими трансформаторами. Сокращения размеров трансформатора достигнуто благодаря переходу на высокочастотное переключение, достигающее до 80 000 Гц. Такой переход не уменьшает мощностных характеристик аппарата.

Важно помнить: напряжение должно поддерживаться с использованием выпрямителя, состоящего из диодного моста и блока конденсаторов.

Также встречаются полуавтоматические сварочные агрегаты, которые не требуют использования электрода, а основываются на расплавляемой проволоке в газовой среде. Ключевые компоненты полуавтомата включают:

• мощный источник тока (инвертор или выпрямитель);
• блок подачи проволоки;
• горелочный модуль;
• система управления;
• электрические кабели;
• дополнительные шланги;
• резервуары с газом для сварки;
• катушки с проволокой.

Как работает?

Общее описание принципа действия инверторного аппарата достаточно простое и понятное. Внутри устройства ток с высокой частотой проходит обработку, чтобы достичь необходимой величины.

Вкратце процесс работы инвертора выглядит следующим образом:

• Преобразование переменного тока в постоянный;
• Понижение напряжения;
• Придание повышенной частоты току (работа в переменном режиме);
• Сведение частоты для повышения силы тока;
• Новое преобразование в постоянный ток;
• Тонкая регулировка силы тока в соответствии с задачей.

Инверторы могут использоваться даже в обычной домашней электросети — они способны обеспечить нужные параметры работы.

Что касается функционирования сварочного полуавтомата, оно практически организуется следующим образом:

• К участку сварки подводится проволока;
• Нагреваются поверхности сварки;
• Тепловая энергия приводит их к деформации;
• Газовая среда защищает соединение от неблагоприятных воздействий;
• Различная поляризация на аноде и металле между собой создает электрический разряд;
• Сварщик контролирует подачу проволоки для достижения оптимальных результатов.

Принцип действия

Система работы инверторного сварочного аппарата включает несколько этапов:

1. Переменный ток с напряжением 220 В и частотой 50 Гц подводится к сетевому выпрямителю из стандартной электросети.
2. Проходя через выпрямитель, ток преобразовывается и сглаживается в постоянный.
3. Постоянный ток подаётся в инверторный блок, где силовые транзисторы преобразуют его в переменный ток с частотой до 50 кГц.
4. В высокочастотном трансформаторе переменный напряжение снижается до 25-40 В, и ток повышается до оптимальных значений.
5. После трансформатора переменный ток передается на высокочастотный выпрямитель, где преобразуется обратно в постоянный для использования в сварочном процессе.

Сварочный ток от инвертора обеспечивает быстрое зажигание электрической дуги и ее стабильное горение, что влияет на качество соединений.

Старый инвертор с комплектующими.

Характеристики

Функциональность инверторных сварочных аппаратов можно оценить по нескольким ключевым параметрам:

• показателю мощности устройства;
• типу выходного тока;
• напряжению, необходимому для питания аппарата;
• силе стартового тока;
• напряжению холостого хода.

В зависимости от модели инверторы способны работать как от однофазной, так и от трехфазной сети. Более дорогие профессиональные аппараты могут включать интегрированные автоматические трансформаторы, позволяя выполнять сварку при различных уровнях напряжения.

Сила сварочной дуги зависит от мощности аппарата, а бытовые и полупрофессиональные устройства подключаются к стандартной сети с напряжением 220 В. Промышленные модели рассчитаны на работу с сетью 380 В.

Сила тока также влияет на диаметр используемого электрода при сварке, а напряжение холостого хода демонстрирует скорость образования дуги.

Как выбрать сварочный инвертор

На российском рынке существует множество моделей сварочных инверторов, инверторная технология позволяет создавать компактные устройства, которые удобно таскать и использовать. Например, инвертор ФОРСАЖ-161, производимый Государственным Рязанским приборным заводом (ГРПЗ), весит всего 4,3 кг, что позволяет переносить его с плечевым ремнем и даже выполнять сварку в таком положении.

С помощью ручной дуговой сварки можно соединять различные металлы с разной толщиной. Это наиболее оправданный вариант там, где нет потребности в длинных швах. Инверторная сварка — идеальное решение для работ по дому, на даче или в небольших мастерских. В то же время в линейке ГРПЗ представлены и профессиональные аппараты. К примеру, инвертор ФОРСАЖ-200 отличается мобильностью (вес 5,9 кг) и высокой производительностью с гарантией стабильного сварочного соединения.

Для задач, приближающихся к промышленным масштабам, необходимо оборудование с улучшенными характеристиками и расширенными возможностями. Рязанское предприятие Ростеха предлагает инвертор ФОРСАЖ-315М, который адаптирован для работы в нефтегазовой отрасли, в строительных и монтажных организациях, а также в судостроительных компаниях. Он не только подходит для традиционной электродуговой сварки, но и для аргонодуговой, обеспечивая прочные соединения. Данная модель уже была успешно протестирована в сложных условиях на объектах нефтегаза и занесена в реестр сварочного оборудования ПАО Газпром.

Элементы электрической схемы инверторных устройств

Составляющие основы сварочного инвертора охватывают несколько ключевых компонентов:

• выпрямитель переменного тока, поступающего соответственно из электрической сети;
• инверторный блок, созданный на базе высокочастотных транзисторов (это и есть генератор высокочастотных импульсов);
• трансформатор, который понижает высокочастотное напряжение и увеличивает его ток;
• выпрямитель переменного высокочастотного тока;
• рабочий шунт;
• электронный блок управления инвертором.

Несмотря на различные характеристики определенной модели инверторного аппарата, принцип ее работы, основанный на использовании высокочастотного импульсного преобразователя, остается постоянным.

На представленной схеме показан пример принципиальной конструкции инвертора (можно увеличить изображение).

В процессе работы, выпрямительный и инверторный блоки сильно нагреваются, поэтому их устанавливают на радиаторы, помогающие эффективно отводить тепло. Для защиты выпрямительного блока от перегрева используется термодатчик, который отключает питание при достижении температуры в 90 градусов Цельсия.

Инверторный блок, который фактически является генератором высокочастотных импульсов, создается на основе транзисторов, организованных по типу косого моста. Электрические импульсы, которые генерируются, подаются на трансформатор, чтобы понизить значение их напряженности.

Наиболее распространенными трансформаторами, применяемыми для инверторных сварочных аппаратов, являются устройства, обладающие такими характеристиками: первичная обмотка фиксирована достигает 100 витков из провода марки ПЭВ (толщина 0,3 мм); первая вторичная обмотка — 15 витков из медной проволоки диаметром 1 мм; вторая и третья вторичные обмотки обладают 20 витками медного провода диаметром 0,35 мм. Все обмотки изолированы друг от друга, а их места выхода дополнительно защищаются и запаиваются.

На изображении показано внутреннее устройство сварочного инвертора.

На выходной выпрямитель инвертора подается ток высокой частоты. Так как справиться с преобразованием такого тока в постоянный простыми диодами невозможно, для этих целей используются мощные диоды, которые имеют высокую скорость переключения. Чтобы избежать перегрева диодного блока, его размещают на радіаторе для эффективного их охлаждения.

На каждый сварочный инвертор обязательно должен быть установлен резистор высокой мощности, обеспечивающий мягкий пуск устройства. Это необходимая защита, поскольку при включении питания мощный электрический импульс может повредить диоды выпрямительного блока. Чтобы этого не произошло, ток подается через резистор к электролитическим конденсаторам для их зарядки. При достижении полного заряда конденсаторов и переходе оборудования в штатный режим открываются контакты электромагнитного реле, и ток начинает поступать к диодам выпрямителя без препятствий.

Целесообразность использования инверторов и их основные недостатки

Распространение сварочных инверторов обосновано целым рядом значительных преимуществ, которые обеспечивают их популярность и спрос.

• Инверторные аппараты отличаются высокой мощностью и производительностью.
• Сварной соединения, выполненные с помощью инверторов, характеризуются высоким качеством и надежностью.
• При своей мощности инверторы имеют компактные размеры и малый вес, что делает их удобными для транспортировки к месту сварки.
• Эти устройства обладают высоким КПД (до 90%), что позволяет эффективно использовать потребляемую электроэнергию по сравнению с трансформаторами.
• Благодаря высокоэффективности, инверторы отличает экономичное расходование электроэнергии.
• Во время сварки расплавленный металл минимально разбрызгивается, что может привести к более рациональному использованию расходных материалов.
• Инверторы позволяют плавно настраивать сварочный ток в процессе работы.
• Наличие дополнительных функций в этих аппаратах позволяет даже менее опытным сварщикам получать качественные результаты.
• Широкая универсальность инверторов позволяет легко выбрать под подходящий сварочный процесс.

Инверторные устройства идеальны для работ, где важна стабильность дуги и отличное качество сварки. Они позволяют выбрать любой электрод, так как работают с разными типами электродов без потери качества соединения.

Однако у инверторов хватает и недостатков. В частности, их стоимость несколько выше по сравнению с традиционными сварочными трансформаторами. Более того, затраты на ремонт тоже имеют высокую стоимость, так как часто требуется заменять мощные транзисторы, стоимость которых может составлять около 60% от цены всего устройства.

Необходимо также учитывать, что инверторы сильно чувствительны к неблагоприятным внешним условиям, включая пыль, грязь, осадки и мороз. Если вы планируете проводить сварку в поле и хотите использовать инвертор, потребуется позаботиться о создании закрытой и отапливаемой площадки для его работы.