Обзор стандартной схемы сварочных аппаратов инверторного типа

Оглавление:

Общие сведения
Силовая часть: сетевой выпрямитель
Инвертор: принцип работы
Высокочастотный (импульсный) трансформатор
Выходной выпрямитель
Пусковая схема аппарата
Схема управления
Контроль выходного и сетевого напряжения
Инструкция по ремонту сварочного аппарата-инвертора

Устойчивая тенденция к снижению цен на сварочные аппараты инверторного типа привела к значительному росту популярности этого оборудования как среди профессионалов, так и среди тех, кто к сварочным работам прибегает только для своих нужд. Вполне объяснимо, что многих пользователей, имеющих подобный аппарат, интересует его устройство и принцип действия, ведь информация такого рода поможет отремонтировать оборудование в случае его неисправности или даже усовершенствовать недорогую модель с «урезанным» функционалом. Как мы увидим далее, разобраться с этими вопросами совсем не сложно, достаточно владеть элементарными познаниями в электротехнике.

Инверторный сварочный аппарат.

Общие сведения

Электрическая схема различных моделей сварочных инверторов может отличаться некоторыми деталями, но в общих чертах все эти аппараты работают по одному принципу. Главная задача каждого из них – преобразовать поступающую из сети электрическую энергию так, чтобы на выходе получить ток большой величины. Процесс преобразования подразделяется на несколько этапов:

Схема дросселя сварочного инвертора.

выпрямление переменного тока, поступающего из электросети;
преобразование постоянного тока обратно в переменный, но уже с гораздо большей частотой колебаний;
усиление переменного высокочастотного тока за счет понижения его напряжения;
выпрямление усиленного высокочастотного переменного тока.

Тот, кто хоть немного разбирается в компьютерном «железе», наверняка знает, что подобным же образом работает импульсный блок питания персонального компьютера. Центральным моментом этой схемы является увеличение частоты переменного тока, именно эту задачу и выполняет инвертор. Для чего это необходимо? Дело в том, что габариты и вес трансформатора зависят не только от его мощности, но и от частоты тока, для преобразования которого он сконструирован. Чем ниже частота, тем более массивным и крупным получается трансформатор. Зависимость эта весьма существенна. Так, например, с четырехкратным увеличением частоты переменного тока размеры трансформатора сокращаются в два раза. Инверторная схема поднимает частоту электротока с 50 Гц до 60-80 кГц, так что выигрыш в весе и размерах получается вполне ощутимый. В результате мы получаем легкий и компактный сварочный аппарат, для производства которого необходимо гораздо меньше материалов, в том числе дорогой меди.

Далее мы детально рассмотрим основные блоки аппарата инвертора и их взаимосвязи.

Силовая часть: сетевой выпрямитель

Схема инверторного сварочного аппарата.

Особенность схемы инвертора состоит в том, что для ее работы необходим постоянный ток. Поэтому переменный ток обычной электросети, поступающий с напряжением 220 В и частотой 50 Гц, в первую очередь подвергается выпрямлению. Электрическая схема выпрямителя включает диодный мост и два конденсатора, в задачу которых входит сглаживание пульсаций. Из-за большой мощности тока диодный мост во время работы достаточно сильно нагревается, поэтому его оснащают радиатором с термопредохранителем. Последний осуществляет размыкание схемы при нагреве до температуры в 90 градусов.

На выходе диодного моста получается пульсирующий постоянный ток напряжением 220 В, но на конденсаторах оно увеличивается в 1,41 раза и составляет уже 310 В. С учетом возможности скачков исходного напряжения в сторону увеличения в сетевом выпрямителе инверторного сварочного аппарата устанавливают конденсаторы, выдерживающие напряжение до 400 В (соответствует исходному напряжению в 280 В).

К источнику электроэнергии сетевой выпрямитель подключается через фильтр электромагнитной совместимости, который препятствует попаданию высокочастотных помех от работы инвертора в электросеть.

Схема источника питания инверторного сварочного аппарата.

Сразу после включения сварочного аппарата поступающий на конденсаторы зарядный ток может достигать такой величины, которой будет достаточно для вывода диодного моста из строя. Чтобы этого не случилось, все типы сварочных инверторов оснащаются схемой плавного запуска. Она реализована посредством реле и резистора, мощность которого составляет около 8 Вт, а сопротивление – около 50 Ом (в различных моделях сварочных инверторов характеристики резистора могут отличаться от указанных). Резистор включен в цепь выпрямителя, и в момент включения сварочного аппарата он ослабляет пусковой ток. После того как оборудование выйдет на рабочий режим, срабатывает реле, которое замыкает выводы резистора так, что ток течет уже «мимо» него.

Инвертор: принцип работы

В электрическую схему инвертора, которым оснащаются сварочные аппараты данного типа, входят два ключевых транзистора, которые подключаются по принципу «косого моста». Их особенность состоит в том, что они могут переключаться с очень высокой частотой, от 60 до 80 кГц. При этом поступающий в инвертор постоянный ток превращается в переменный, имеющий такую же частоту. От обычного тока в электросети он отличается еще и характеристикой: она является не синусоидной, а прямоугольной.

Ключевые транзисторы устанавливают на радиаторе, что позволяет избежать их перегрева. Защита от чрезмерно высоких напряжений обеспечивается демпферными RC-цепями.

Высокочастотный (импульсный) трансформатор

Принцип работы инвертора.

Главной частью любого сварочного аппарата является понижающий трансформатор. Его конструкция в инверторных аппаратах почти не отличается от обычной, но при этом он является более компактным. Еще одно важное отличие – наличие дополнительной вторичной обмотки, которая используется для питания схемы управления.

На первичную обмотку высокочастотного трансформатора поступает продуцируемый инвертором переменный электроток напряжением 310 В и частотой в несколько десятков килогерц. На выходе вторичной обмотки, имеющей меньшее количество витков, напряжение уменьшается до 60-70 В, а сила тока возрастает до 110-130 А. Ему остается пройти еще одну, последнюю ступень.

Выходной выпрямитель

Поступающий от высокочастотного трансформатора ток необходимо превратить в постоянный – именно такой ток нужен для сварки. С этой целью сварочный аппарат инвертор оснащается выходным выпрямителем, электрическая схема которого состоит из сдвоенных диодов с общим катодом. От обычных диодов они отличаются высоким быстродействием. Цикл открытия-закрытия у этих элементов составляет всего 50 наносекунд (эта характеристика называется временем восстановления). Это качество необходимо для работы с токами сверхвысокой частоты.

Диоды выходного выпрямителя также установлены на радиаторе, а для их защиты данный блок оснащается RC-цепью.

Пусковая схема аппарата

Способы подключения сварочного инвертора.

В момент включения устройства от сетевого выпрямителя подается питание на схему управления через 15-вольтовый стабилизатор.

После того как схема управления запустит в работу ключевые транзисторы инвертора, на дополнительной вторичной обмотке высокочастотного трансформатора появляется напряжение. Оно выпрямляется диодами и через все тот же стабилизатор начинает питать схему управления, при этом происходит ее отключение от сетевого выпрямителя.

Схема управления

Координацию работы преобразователя тока сварочного аппарата инверторного типа осуществляет схема управления. Ее основным элементом является микросхема ШИМ-контроллера. В задачу этой микросхемы входит переключение ключевых транзисторов инвертора. Управление их работой ШИМ-контроллер осуществляет не напрямую, а посредством двух последовательно расположенных элементов: полевого транзистора и разделительного трансформатора.

Преобразование тока в сварочном инверторе.

С полевого транзистора на первичную обмотку разделительного трансформатора поступает высокочастотный (около 65 кГц) ток с прямоугольной характеристикой. Трансформатор преобразует напряжение этого тока до той величины, которая необходима для управления ключевыми транзисторами инвертора. Сигналы на них поступают от двух вторичных обмоток разделительного трансформатора, при этом каждая из обмоток подключена к одному транзистору.

Кроме указанных элементов, электрическая схема платы управления и контроля содержит вспомогательные транзисторы, которые помогают ключевым транзисторам инверторной схемы закрываться, и стабилитроны, защищающие их от перепадов напряжения. Также здесь имеется анализатор-ограничитель тока. Главным элементом анализатора является трансформатор, который включен в цепь первичной обмотки высокочастотного трансформатора, установленного в силовом блоке. Анализатор-ограничитель контролирует силу тока в преобразователе сварочного аппарата и использует сигналы, поступающие с первичной обмотки силового трансформатора, для подстройки сварочного тока и формирования импульсов, транслируемых к микросхеме ШИМ-контроллера.

Для регулирования силы тока сварки в электрическую схему блока управления включен переменный резистор, сопротивление которого задается поворотом ручки, выведенной на контрольную панель сварочного аппарата инвертора.

Контроль выходного и сетевого напряжения

Функциональные возможности сварочного инвертора.

Кроме всего перечисленного, в задачу схемы управления сварочного аппарата входит отслеживание напряжения в сети и на выходном выпрямителе. Для этого ее электрическую схему комплектуют операционным усилителем. Часть его элементов подключается к сетевому выпрямителю с целью выявления скачков напряжения в электросети. В случае нарушений эти элементы воспроизводят сигналы защиты по току и напряжению, которые поступают в суммирующий модуль, а затем – в генератор импульсов ШИМ-контроллера. Работа генератора, следовательно, и всей схемы, при этом блокируется.

Аналогичным образом контролируется рабочее напряжение на выходе преобразователя. Его величина может отклоняться от нормы в случае нарушения в работе диодного моста сетевого выпрямителя или других элементов. В этом случае также происходит отключение схемы управления.

Блокировка схемы сопровождается подачей напряжения на сигнальный диод, который оповещает пользователя сварочного аппарата о неполадках.

Инструкция по ремонту сварочного аппарата-инвертора

Как любое оборудование, инверторные аппараты для сварки могут выходить из строя. Часто наблюдается следующий симптом: аппарат кажется вполне исправным (горит «нормальная» индикация, слышна работа вентилятора в корпусе), но искра при контакте электрода с металлом не появляется. Иногда при этом можно слышать непривычный гул. В некоторых случаях ремонт устройства можно осуществить своими силами, не привлекая специалистов сервисной компании.

Схема сварки тонкого металла при помощи инверторной сварки.

По инструкции в первую очередь следует проверить с помощью мультиметра состояние термопредохранителей, установленных на радиаторах различных элементов в силовом блоке. Температура, при которой их контакты размыкаются, обычно составляет 90 градусов. Отдельные типы таких предохранителей являются одноразовыми, после срабатывания их приходится менять. Другие размыкают цепь при перегреве, но при остывании радиатора снова восстанавливают соединение. Подобные элементы могут устанавливаться на первичных обмотках силовых трансформаторов. Их срабатывание часто приводит в заблуждение электротехников-любителей, которые думают, что в обмотке произошел обрыв. Если вы обнаружили неисправный термопредохранитель, можно попробовать закоротить его контакты. Этот вариант подойдет в качестве временного «лечения», он позволит вам закончить работу, если она является срочной.

Поскольку защита от перегрева теперь частично отсутствует, сварочный аппарат следует эксплуатировать очень осторожно, вполсилы. А по завершении работы следует сразу двигаться в магазин радиодеталей для приобретения запчасти.

Еще одно «чувствительное» место сварочных инверторов – выходной выпрямитель, точнее, входящие в его состав диоды. Токи, с которыми им приходится работать, достигают 130 А и иногда становятся причиной пробоя в этих диодах.

В неработоспособности выходного выпрямителя легко убедиться с помощью мультиметра, но без «прозвонки» каждого диода по отдельности определить, какой из них пробит, невозможно. Диоды (здесь применяются три сдвоенных диода) придется выпаивать и снимать с радиатора, к которому они прикручены шурупами. Радиатор тоже придется снимать.

Управление сварочным инвертором.

Выпаивать диоды и другие элементы бывает непросто. В современных сварочных инверторах пайку делают очень качественно, с большим количеством припоя, особенно в тех местах, где имеются токи большой силы. Кроме того, используется припой без содержания свинца, температура плавления которого выше, чем у обычного свинцово-оловянного. Поэтому для выпаивания диодов и других элементов лучше воспользоваться мощным паяльником на 50 Вт, 40-ваттного может не хватить. Задача усложняется тем, что нужно отпаять три вывода одновременно, поэтому без хорошего прогрева тут не обойтись. Для удаления припоя можно воспользоваться десольдером или медной оплеткой.

После того как пробитый диод будет выявлен (в сдвоенных диодах могут быть пробиты обе части), следует купить новый, такой же или аналогичный. Пользователю следует обратить внимание на важное обстоятельство: диоды выходного выпрямителя являются быстродействующими, время их восстановления составляет всего 50 нс. Только такие элементы могут работать с переменным током частотой в 60-80 кГц. Обычные диоды устанавливать сюда нельзя. В зарубежных спецификациях быстродействующие диоды могут обозначаться как Hyper-Fast, Ultra-Fast, Stealth Diode, Super-Fast, High Frequency Secondary Rectifier и др.

Перед монтажом диодов или ключевых транзисторов на радиатор следует нанести свежий слой теплопроводной пасты (КПТ-8 или аналогичную). Пасту нужно наносить в достаточном количестве, но и не слишком обильно. Она обеспечивает теплоотвод от элемента в направлении медного или алюминиевого радиатора.

Пайку диодов следует выполнять очень тщательно. Из-за большой силы тока в некачественных соединениях будет наблюдаться сильный нагрев и значительные потери мощности.

Бывает, что по неосторожности при демонтаже радиатора были повреждены медные дорожки и «пятачки» платы, их наращивают медным луженым проводом и хорошенько пропаивают.