Принцип работы и устройство сварочного инвертора

Принцип работы и устройство сварочного инвертора

Чтобы правильно выбрать оборудование для выполнения сварочных работ, необходимо знать устройство конструкции и принцип работы сварочного инвертора. Если хорошо разбираться в таких вопросах, можно не только эффективно использовать, но и самостоятельно ремонтировать инверторные устройства.

Инверторные сварочные аппараты производства Италии

Сварочный аппарат с инвертором для низкого напряжения сети – решение Ваших проблем

Недостатком инверторных сварочных аппаратов, работающих от сети с пониженным напряжением, является их повышенная стоимость. Как правило, они стоят на 25-30% дороже обычных аппаратов для сварки. Это объясняется наличием в их конструкции дополнительных функций: стабилизации напряжения и коррекции коэффициента мощности. Такие аппараты способны решить следующие задачи:

приспособиться к питанию от слабой сети;

гладить перепады напряжения;

обеспечить качественный шов при низких параметрах сети.

Сварочные аппараты, собранные на основе такой схемы, позволяют надёжно и качественно варить от сети 180 В. А специальные экземпляры могут работать и от 135 вольт. Для обеспечения таких показателей имеется внутренний блок стабилизатора напряжения и блок корректора коэффициента мощности PFC (Power Factop Corrector). Наличие этих блоков позволяет питать сварочный аппарат от дизель-генератора и использовать удлинители длиною до 50 метров.

Функции блока корректора коэффициента мощности сварочного инвертора:

позволяет работать в слабой сети при напряжениях от 170 до 280 вольт;

экономит до 25% электроэнергии;

допускает применять кабель питания уменьшенной площади сечения;

снижает уровень сетевых помех.

Схемы, применяемые для внутренних стабилизаторов напряжения, весьма разнообразны и не отличаются новизной. Блок корректора мощности — достаточно недавнее изобретение, которое представляет собой сложную электронную схему. Разобраться в особенностях её работы под силу только специалистам по промышленной электронике. Для обладателей таких аппаратов достаточно знать, что коррекция мощности происходит за счёт накопления индуктивной энергии на катушке индуктивности.

Схема регулятора тока для сварочного агрегата

Тиристоры в устройстве устанавливаются параллельно, так что они открываются при помощи тока, который создается двумя транзисторами. Когда регулятор включается в схему, тиристоры находятся в закрытом состоянии, а заряд принимают конденсаторы благодаря переменному сопротивлению.

И при достижении конденсатором определенного напряжения происходит движение тока разряда. После транзистора происходит открытие тиристора, подключающего нагрузку.

Меняя сопротивление резистора, будет можно осуществлять регулировку подключения тиристоров. В связи с этим происходит изменение общего тока на изначальной трансформаторной обмотке.

Чтобы добиться увеличения или снижения диапазона регулировки, меняется сопротивление резистора в нужном направлении. Если нет в наличии транзисторов, допустимым условием является применение динисторов.

Выбор режима ручной дуговой сварки

Дуговую сварку контролируют ряд параметров, а именно:

• сварочный ток
• напряжение дуги
• скорость сварки
• род и полярность тока
• положение шва в пространстве
• тип электрода и его диаметр

Поэтому перед началом работы следует подобрать значения этих параметров так, чтобы сварочный шов получился требуемого размера и хорошего качества.

1.1 Сварочный ток (выбор сварочного тока посредством подбора диаметра электрода)

Важнейшим параметром при работе ручной дуговой сварки является сила сварочного тока. Именно сварочный ток будет определять качество сварочного шва и производительность сварки в целом.

Обычно рекомендации по выбору силы сварочного тока приведены в инструкции пользователя, которая поставляется в комплекте со сварочным аппаратом. Если таковой инструкции нет, то силу сварочного тока можно выбрать в зависимости от диаметра электрода. Большинство производителей электродов размещают информацию о величинах сварочного тока прямо на упаковках своей продукции.

Диаметр электрода подбирают в зависимости от толщины свариваемого изделия. Однако помните, что увеличение диаметра электрода уменьшает плотность сварочного тока, что приводит к блужданию сварочной дуги, её колебаниям и изменениям длины. От этого растет ширина сварочного шва и уменьшается глубина провара – то есть качество сварки ухудшается. Кроме того, уровень сварочного тока зависит от расположения сварочного шва в пространстве. При сварке швов в потолочном или вертикальном положении рекомендуется диаметр электродов не меньше 4 мм и понижение силы сварочного тока на 10-20 %, относительно стандартных показателей тока при работе в горизонтальном положении.

Таблица 1.1

Примерное соотношение толщины металла, диаметра электрода и сварочного тока
Толщина металла, мм	0,5	1-2	3	4-5	6-8	9-12	13-15	16
Диаметр электрода, мм	1	1,5-2	3	3-4	4	4-5	5	6-8
Сварочный ток, А	10-20	30-45	65-100	100-160	120-200	150-200	200-250	200-350

1.2 Напряжение дуги (длина сварочной дуги)

После того, как сила сварочного тока определена, следует рассчитать длину сварочной дуги. Расстояние между концом электрода и поверхностью свариваемого изделия и определяет длину сварочной дуги. Стабильное поддержание длины сварочной дуги очень важно при сварке, это сильно влияет на качество свариваемого шва. Лучше всего использовать короткую дугу, т.е. длина которой не превышает диаметр электрода, но это достаточно тяжело осуществить даже при наличии солидного опыта. Поэтому оптимальной длиной дуги принято считать размер, который находится между минимальным значением короткой дуги и максимальным значением (превышает диаметр электрода на 1-2 мм)

Таблица 1.2

Примерное соотношение диаметра электрода и длины дуги
Диаметр электрода, мм	1	1,5-2	3	3-4	4	4-5	5	6-8
Длина дуги, мм	0,6	2,5	3,5	4	4,5	5	5,5	6,5

1.3 Скорость сварки

Выбор скорости сварки зависит от толщины свариваемого изделия и от толщины сварочного шва. Подбирать скорость сварки следует так, что бы сварочная ванна заполнялась жидким металлом от электрода и возвышалась над поверхностью кромок с плавным переходом к основному металлу изделия без наплывов и подрезов. Желательно поддерживать скорость продвижения так, что бы ширина сварочного шва превосходила в 1,5-2 раза диаметр электрода.

Если слишком медленно перемещать электрод, то вдоль стыка образуется достаточно большое количество жидкого металла, который растекается перед сварочной дугой и препятствует её воздействию на свариваемые кромки – то есть результатом будет непровар и некачественно сформированный шов.

Неоправданно быстрое перемещение электрода тоже может вызывать непровар из-за недостаточного количества тепла в рабочей зоне. А это чревато деформацией швов после охлаждения, вплоть до трещин.

Наиболее простой способ подбора скорости сварки ориентирован на приблизительно среднее значение размеров сварочной ванны. В большинстве случаев сварочная ванна имеет размеры: ширина 8–15 мм, глубина до 6 мм, длина 10–30 мм. Важно следить, что бы сварочная ванна равномерно заполнялась плавленным металлом, т.к. глубина проплавления почти не изменяется.

На рисунке видно, что при увеличении скорости заметно уменшается ширина шва, при этом глубина проплавления остается почти неизменной. Очевидно, что наиболее качественные швы (в этом примере) – при скоростях 30 и 40 м/ч.

1.4 Род и полярность тока

У большинства моделей бытовых аппаратов для ручной дуговой сварки на выходе путем выпрямления переменного тока образуется постоянный сварочный ток. При использовании постоянного тока возможны два варианта подключения электрода и детали:

• При прямой полярности деталь подсоединяется к зажиму «+», а электрод к зажиму «-»
• При обратной полярности деталь подключается к «-», а электрод – к «+»

На положительном полюсе выделяется больше тепла, чем на отрицательном. Поэтому обратную полярность при работе с электродами применяют во время работ по сварке тонколистового металла, чтобы его не прожечь. Можно использовать обратную полярность при сварке высоколегированных сталей во избежание их перегрева, а на прямой полярности лучше варить массивные детали

• Сварка с глубоким проплавлением основного металла
• Сварка низко- и среднеуглеродистых и низколегированных сталей толщиной 5 мм и более электродами с фтористо-кальциевым покрытием: УОНИ-13/45, УОНИ-13/55 и др.
• Сварка чугуна

• Сварка с повышенной скоростью плавления электродов
• Сварка низколегированных и низкоуглеродистых сталей (типа 16Г2АФ), средне- и высоколегированных сталей и сплавов
• Сварка тонкостенных листовых конструкций

Низколегированные стали — это конструкционные стали, в которых содержится не больше 2,5% легирующих элементов (углерода, хрома, марганца, никеля и т.д., причем углерода не должно быть более 0,2 %), широко применяются в строительстве, судостроении, трубопрокатном производстве. Сварку низколегированных сталей можно производить как ручным способом, так и автоматически, вне зависимости от полярности тока.

Эксплуатация балластного соединения

Показатель балластного сопротивления регулирующего аппарата находится на уровне 0,001 Ом. Он подбирается путём эксперимента. Непосредственно для получения сопротивления, преимущественно используется сопротивление проволоки больших мощностей, их применяют в троллейбусах или на подъёмниках.

Такое сопротивление включается стационарно или по-другому, чтобы в будущем была возможность с легкостью отрегулировать показатели. Один край этого сопротивления подключается к выходу конструкции трансформатора, другой обеспечивается специальным инструментом для зажима, который сможет перекидываться по всей длине спирали, что позволит выбрать нужную силу напряжения.

Основная часть резисторов с использованием проволоки большой мощности, производится в виде открытой спирали. Она монтируется на конструкцию в длину полметра. Таким образом, спираль делается также из проволоки ТЭНа. Когда резисторы, изготовленные из магнитного сплава скооперировать со спиралью или любой деталью из стали, в процессе работы прохождения тока с высокими показателями, она начнёт заметно дрожать. Такой зависимостью спираль обладает только до того момента, пока она не растянется.

Функции и принцип работы аппаратов

Задачи сварочного инвертора для низкого напряжения:

• адаптировать прибор к имеющейся сети с неустойчивым напряжением;
• убрать перепады напряжения.

Для этого в конструкцию сварочных аппаратов пониженного напряжения добавили определенные блоки:

• Блок стабилизатора напряжения;
• Блок корректора коэффициента мощности (PFC).

В итоге, инвертор пониженного напряжения подстраивается к неустойчивой сети благодаря PFC и сглаживает перепады напряжения за счет работы стабилизатора.

Наличие в конструкции этих двух блоков дает возможность сварочному аппарату эффективно работать при подключении его к генератору, а также с использованием удлинителей.

Это наиболее современные сварочные аппараты, производящиеся массово только с 80-х годов прошлого столетия. Они являются выпрямителями тока со встроенным инвертором на транзисторах. В таких устройствах электрическая энергия несколько раз изменяет свои параметры. В первую очередь ток выпрямляется с помощью полупроводников, далее специальным фильтром происходит его сглаживание. Постоянный ток снова преобразуется в переменный ток, но с более высокой частотой, достигающей нескольких десятков кГц.

После этого ток проходит по небольшому трансформатору, где уменьшается напряжение и увеличивается его ток. Затем начинает работать выпрямитель и фильтр высокой частоты, чтобы создать электрическую дугу постоянного тока, поступающего на электроды.

Основной особенностью сварочного инвертора стало повышение частоты тока. Это дало возможность значительно снизить массу и габаритные размеры устройства.

Преимущества

• Длительное время непрерывной эксплуатации.
• Повышенный КПД (более 80%), небольшие потери и экономия энергии.
• Возможность подключения к бытовой сети квартиры или дома.
• Большой интервал регулировки тока, что позволяет использовать разные по диаметру электроды, даже очень тонкие.
• Плавная регулировка напряжения и тока.
• Образование высококачественного сварного шва.
• Нет разбрызгивания металла.
• Защита устройства от скачков напряжения.
• Функционирование аппарата контролируется с помощью микропроцессоров и управляющих схем, поэтому электрическая дуга быстро разжигается и стабилизируется.
• Сваривание материалов, которые невозможно сварить другими аппаратами.
• Высокая электробезопасность.

Недостатки

• Высокая чувствительность аппарата к пыли, которая постоянно заходит в корпус из-за действующего охлаждения вентиляторами. Металлическая пыль способна создать короткое замыкание элементов в корпусе, поэтому устройство требует периодической продувки сжатым воздухом, либо очистки его щеткой, особенно на производстве или в строительстве.
• Высокая стоимость аппарата, по сравнению с трансформаторными устройствами. Ремонт инверторного устройства также обойдется недешево. Например. Если выйдут из строя силовые транзисторы, то придется заплатить практически половину стоимости всего аппарата.
• Возможное создание помех в бытовой сети, что отрицательно влияет на работу бытовых устройств.
• Сложное устройство на основе полупроводниковых силовых элементов, высокая чувствительность к низким температурам, влаге, конденсату. В зимнее время возникают некоторые сложности в работе.
• Требует для хранения теплого отапливаемого помещения.

Инверторный сварочник значительно упростит работу для начинающего сварщика, а для квалифицированного специалиста этот аппарат позволит выполнить работу быстро и с высоким качеством. Благодаря небольшим размерам и массе инверторное устройство очень мобильно, и для частых перемещений по объекту такое устройство подойдет как нельзя кстати. Но все эти достоинства потребуют вложения немалых денег.

Сварочные полуавтоматы

Работа сварочного полуавтомата состоит в том, что специальная сварочная проволока диаметром около 1 мм специальным подающим механизмом подается в зону сварки, где она расплавляется в газовой среде и поступает в сварочную ванну. Воздух вытесняется газом вблизи сварочной ванны, чем создает защиту сварного шва от действия кислорода. Обычно для этих целей применяют углекислый газ, аргон и другие газы или их смеси. Если для сварки применять флюсовую проволоку, то газ можно не подавать в рабочую зону.

По своей сути полуавтоматический сварочник является стационарной установкой, которая состоит из выпрямителя или инвертора, подающего механизма, системы управления, газовой системы и горелки с рукавами. Режим эксплуатации всего устройства настраивается использованием определенного типа присадочной проволоки, вида газа, регулировкой скорости подачи и силы тока.

Достоинства

• Высокое качество шва любой длины (от точечного до длинного).
• Легкое сваривание тонкостенных деталей, особенно при кузовных работах в автосервисе.
• Высокая скорость работы.
• Множество настроек и регулировок.
• Большой перечень свариваемых материалов.

Недостатки

• Необходимо использовать баллоны, либо подключаться к газовой сети.
• Повышенная стоимость расходных материалов (аргона, проволоки).
• Высокая стоимость всего оборудования.
• Невозможно работать во внешней среде при ветреной погоде, необходима защита от ветра.

Сварочный генератор

Это довольно сложное устройство, включающее в себя топливный генератор электроэнергии и источник тока для сварки. При этом этот источник может выдавать переменный и постоянный ток. Такой агрегат относится к дорогостоящим изделиям. Однако, для строительных объектов или мест проведения сварочных работ, где отсутствует электричество, либо оно нестабильно, такое устройство будет оптимальным выбором.

Многие могут спросить: способны ли простые сварочные аппараты функционировать от такого генератора? Да, вполне могут. Однако, если к генератору подключены бытовые устройства, либо другие потребители, то на время проведения сварочных работ их придется отсоединить от генератора, так как напряжение будет неустойчивым, что приведет к выходу из строя подключенных устройств.

Важной особенностью этого устройства является то, что для работы сварочного аппарата необходим генератор с простым устройством, так как для сварки не требуется повышенных параметров источника питания. В результате такое комплексное устройство имеет меньшую стоимость, по сравнению с тем, если приобрести отдельно генератор и сварочник.

Если у вас периодические перебои с электричеством, либо вообще отсутствует электроэнергия, то выгоднее будет приобрести не бытовой сварочный аппарат, а комбинированное устройство – сварочный генератор. При этом сначала определяются с видом генератора – дизельный или бензиновый. Далее подбирают вид источника тока – выпрямитель, трансформатор или инвертор, а потом уже выбирают остальные параметры устройства, которые мы рассматривали ранее.

Аппарат для сварки алюминиевых сплавов

Особенностью сваривания алюминия является небольшая температура плавления, обычно небольшая толщина металла. Поэтому традиционная ручная сварка для стали не подойдет, необходим большой опыт, которым обладают далеко не все сварщики. Необходим сварочник, который варит в газовой среде или аргонодуговой аппарат.

Существуют также многофункциональные универсальные сварочные аппараты, которые способны сваривать несколько видов металлов. Стоимость таких устройств очень высока, и для бытовых нужд они практически не используются. Это профессиональные сварочники для широкого использования.

Они могут работать в нескольких режимах:

• Аргонодуговой сварки.
• Ручной сварки электродами.

Эти оба режима могут происходить в среде газовой оболочки на постоянном, переменном или пульсирующем токе. Такие аппараты имеют очень много настроек, варят как сталь, так и алюминий, даже без дополнительной обработки, а также титан и нержавеющую сталь. При этом сварной шов получается высокого качества.

Рекомендации по выбору

Чтобы сделать правильный выбор сварочного аппарата, необходимо учитывать определенные параметры, которые следует рассмотреть подробнее.

Напряжение питания

Сварочные аппараты могут быть трехфазными или однофазными. Для бытового использования следует выбирать однофазные устройства, либо универсальный сварочник. Многие сварочные аппараты имеют высокую чувствительность к скачкам напряжения, при этом они могут перестать работать, либо выйти из строя. Поэтому инверторные аппараты обычно оснащены специальной защитой от перепадов питания, что позволяет использовать их в сетях, где параметры питания нестабильны.

Бытовые устройства для сварки имеют расширение диапазона напряжений до 15%. Профессиональные сварочные аппараты могут иметь большее допустимое отклонение напряжения от нормы.

Напряжение без нагрузки

Это важный параметр, определяющий способность сварочника разжигать дугу электрического тока, и поддерживать ее во время работы. Для розжига дуги необходимо напряжение, превышающее величину напряжения постоянного горения, в два раза. Нормативные документы ограничивают эти параметры для переменного тока – 80 В, для постоянного тока – 90 В.

Исходя из практики дуга может образоваться и при 30 В, так как в устройствах таких аппаратов часто используют различные хитроумные схемы, позволяющие облегчить возникновение дуги.

Мощность

В руководствах к сварочным аппаратам обычно указывается их наибольшая мощность. Это соответствует наибольшим пиковым нагрузкам на электрическую сеть. Руководствуясь этим параметром, нужно правильно выбирать место подключения аппарата, чтобы кабели и устройства защиты смогли обеспечить его нормальную работу. Некоторые заводы изготовители указывают в паспорте номинальный ток автомата защиты.

Если сварочник может работать при пониженном напряжении, то его эффективность в экстремальных режимах значительно снизится. Поэтому необходимо иметь резерв мощности около 30%. Если сварочный аппарат часто использовать на предельных нагрузках, то срок его службы значительно снизится.

Реальная мощность аппарата заключена в силе тока на выходе устройства. Именно этот параметр определяет толщину металла, которую аппарат сможет проварить. Считается, что сварочники для профессионалов должны выдавать не менее 300 ампер, а для бытовых нужд будет достаточно устройства, выдающего до 200 ампер. Это соответствует электродам диаметром 4 мм и толщине металла 6 мм.

Длительность работы

Это информативный параметр, от которого зависит производительность устройства. Проектировщики определяют ограниченный цикл работы, и делят его на части – время отдыха и работы. В европейских странах принято считать рабочим циклом 10 минут, в нашей стране – 5 минут. Если в инструкции указано, что длительность работы 20%, это означает, что европейский сварочник выключится через две минуты непрерывной сварки, и продолжать работу следует через 8 минут.

Ограничение температуры

Стандарты допускают выполнять ручную сварку в интервале -40 +40 градусов. В жаркую погоду сварочные аппараты работают нормально, а при снижении температуры могут возникать проблемы. Существуют устройства, которые не запускаются при температуре ниже ноля градусов.

Это чаще всего бывает с инверторными конструкциями, у которых при отрицательной температуре срабатывает защита, включается индикатор и устройство выключается. Поэтому на такой параметр следует обратить внимание при приобретении.