Как работает сварочный инвертор?

Как работает сварочный инвертор?

Появление на рынке электрифицированного инструмента сварочных инверторов произвело своеобразную технологическую революцию. Благодаря им, операция соединения металлов путем использования свойств электрической дуги стала доступна не только профессиональным сварщикам, но и любому домашнему мастеру. Сегодня мы расскажем вам о том, на чем основан принцип действия инвертора и на что стоит обратить внимание при покупке этого инструмента.

Высокая частота – ключ решения проблемы

Первым, кто сумел применить на практике эффект разогрева металлов дугой электрического разряда и перенос ею его молекул, был русский инженер-электротехник Николай Бернандос. Было это в 1882 году. В его установке использовался неплавящийся угольный электрод, а соединение металлов происходило при внесении в зону горения дуги посредника – расплавляемого металлического прутка.

Изобретатели

Фактически она являлась прообразом современной сварки TIG. Через шесть лет инженер Николай Славянов создал установку, в которой электрод, провоцировавший возникновение электрической дуги, одновременно играл и роль расплавляемого присадочного прутка. Так возникла ММА – сварка с плавящимся электродом.

сварка tig

Общим в этих электроустановках является природа возникновения электрической дуги. Она зажигается в результате пробоя газовой среды – промежутка между двумя проводниками. Чтобы поставить ее под контроль, инженерам требовалось устройство, обладающее электрической инерцией, поскольку лавинообразное нарастание тока способно уничтожить все на своем пути.

сварка мма

Таковым является трансформатор переменного тока, состоящий из двух обмоток, размещенных на металлическом сердечнике. Магнитный поток в нем имеет силу, прямо пропорциональную породившему его току, но направлен противоположно ему. Трансформатор же решает и другую задачу – снижает напряжение относительно входа, благодаря чему увеличивается ток, являющийся первопричиной пробоя среды и возникновения электрической дуги. Чем он выше, тем сильнее ее разогрев и тем большее количество молекул металла она может перенести.

Чтобы трансформатор мог работать в режиме короткого замыкания, его обмотки должны эффективно противодействовать силе тока, разрушающей их. Для этого сечение провода делают очень большим, а сердечник максимально массивным.

Инженерами-электротехниками был обнаружен эффект, заключающийся в том, что физическое воздействие потока электронов на проводник тем сильнее, чем ниже частота его колебаний. Например, если по медному проводу сечением 1 мм2 пропустить ток частотой 50 Гц и силой 50 ампер, то он расплавится. Но если при тех же количествах ампер его частота будет равна 20-30 кГц, то он останется холодным.

СваркаГлавным недостатком токов высокой частоты является невозможность передачи электроэнергии на большие расстояния. Поэтому частота промышленного тока равна 50 (в некоторых странах 60) Гц. Это оптимальное значение, позволяющее получить удовлетворительный уровень потерь и не делать электроустановки слишком массивными.

Сварочные аппараты, на обмотки трансформаторов которых подается ток промышленной частоты 50 Гц, имеют большую массу и габариты из-за того, они должны работать в режиме короткого замыкания и не разрушаться при этом.

Они вызывают чрезмерные перегрузки в электросети, что существенно затрудняет их применение в быту. Возможность воплотить в жизнь идею использования высокочастотных колебаний при сварочных работах появилась лишь в конце XX века, когда на основе полупроводниковых приборов сконструировали источники высокочастотных незатухающих колебаний.

Сварочные инверторы

Схема, когда ток промышленной частоты 50 Гц преобразуется в высокочастотный, получила название инверторной от английского слова inversion – преобразование, изменение. Принцип работы инвертора любого типа заключается в следующем:

  1. Переменный ток промышленной частоты 50 Гц выпрямляется. Для этого его сначала подают на понижающий трансформатор переменного тока. А потом на так называемый диодный мост, состоящий из четырех элементов с односторонней проводимостью. На его выходе получается пульсирующее напряжение, которое сглаживается конденсатором. Это первая стадия инверсии.
  2. Постоянное напряжение используется для питания полупроводникового генератора незатухающих колебаний, представляющих собой бесконечную последовательность прямоугольных импульсов разной полярности. Ее принято называть квазисинусоидой из-за схожести с эпюрой напряжения генератора переменного тока. Это вторая стадия инверсии – получение переменного тока высокой частоты.

Устройство сварочного инвертора значительно отличается от электроустановок, построенных по этому принципу. Например, от частотного преобразователя, использующегося для управления скоростью вращения асинхронных электродвигателей.

В первую очередь тем, что частота колебаний в нем повышается до десятков килогерц (у частотников она не выше 60 Гц). Это позволяет сделать трансформатор, который работает в режиме короткого замыкания, компактным. 

При этом величина выходного напряжения трансформатором уменьшается, а не увеличивается, как в том же частотнике. На вход прибора подается питание 220 вольт, а с разъемов для подключения проводов снимается от 40 до 80 вольт. Это делается не только с целью получения сварочного тока более 50 ампер, что является основным условием возникновения электрической дуги, но и для того, чтобы обезопасить сварщика от поражения электрическим током.

Принцип работы сварочного инвертора отличается еще и тем, что в нем производится двойная инверсия – для зажигания дуги и переноса металла в ней используется постоянный ток, получаемый выпрямлением высокочастотных колебаний.

принципиальная схема работы сварочного инвертора

Это усложняет схему и приводит к удорожанию прибора, но конструкторы идут на такие ухищрения по той причине, что они создавали устройство для массового и непрофессионального использования.

Дело в том, что дуга постоянного тока горит более устойчиво, поэтому можно получить качественный шов даже при минимальных навыках. Кроме того, температуру ее горения легче регулировать, что позволяет сваривать не только массивные конструкции, но и листовые металлы.

Бытовое применение такого прибора облегчается еще и тем, что сварка инвертором не вызывает перегрузки сети (при использовании промышленного оборудования 50 Гц падение напряжения заметно по ослаблению силы свечения ламп накаливания). А происходит это по той причине, что генератор высокочастотных импульсов играет роль гальванической развязки.

Выбор сварочного инвертора

Зная то, как работает оборудование сварочного инверторного аппарата, вы можете сделать правильный выбор при его покупке. Надо обращать внимание на следующие параметры:

  • Потребляемая мощность. Эта величина влияет на то, как долго может сварочник работать под нагрузкой без критического нагрева элементов схемы. Для рядового потребителя она может быть не слишком понятна, поэтому в технических характеристиках указывается еще и продолжительность включения на максимальном токе (ПВ) в процентах. Например, если ПВ равно 60%, то рабочий цикл состоит из шести минут работы под нагрузкой и четырех на холостом ходу для остывания. Любительские модели мощностью до 2 кВт имеют ПВ, равным 30%. А у профессиональных устройств (от 4 кВт и выше) ПВ всегда выше 50%.
  • Диапазон рабочих токов. Обычно он делается в пределах от 16 до 220 ампер. Для бытового применения достаточно 110-120 ампер. Двести двадцать необходимо для сваривания фасонного металлопроката большого сечения и массы.
  • Холостой ход. Напряжение на выходных контактах инвертора без нагрузки. Для сварщика напряжение холостого хода сварочного инвертора является фактором, влияющим на легкость поджигания дуги. Чем оно больше, тем проще. Однако большой ХХ ведет к тому, что шов становится пористым и забивается шлаком, что ослабляет его. Для работ с чистым металлом достаточно, чтобы ХХ был равен 40 вольтам. Для грубой сварки из ржавых труб и профилей необходимо 70-80 вольт.
  • Опции. Hotstart – увеличение сварочного тока в момент касания электродом поверхности. Она помогает при работе со ржавым металлом или низком уровнем напряжения на входе инвертора. Arcforce – форсаж дуги, который не дает ей погаснуть во время работы, если, например, встретился толстый слой окислов. Antistick – сброс сварочного тока до нуля при прилипании электрода. Позволяет легко оторвать его от шва без осыпания слоя флюса. Экономит расходный материал. Начинающим сварщикам они помогут быстро освоить азы профессии и уберегут от неизбежного брака в работе.

Сварочный инвертор необходим каждому домашнему мастеру. Он дает реальную свободу действий при ремонте и монтаже металлических конструкций.