Устройство сварочного инвертора

Устройство сварочного инвертора

В настоящее время стали очень популярны и доступны по цене сварочные аппараты инверторного типа.

Несмотря на свои положительные качества, они, как и любое другое электронное устройство, временами выходит из строя.

Чтобы отремонтировать инвертор сварочного аппарата нужно хотя бы поверхностно знать его устройство и основные функциональные блоки.

В первых двух частях будет рассказано об устройстве сварочного аппарата модели TELWIN Tecnica 144-164. В третьей части будет рассмотрен пример реального ремонта сварочного инвертора модели TELWIN Force 165. Информация будет полезна всем тем начинающим радиолюбителям, которые хотели бы научиться самостоятельно ремонтировать сварочные аппараты инверторного типа.

Дальше будет много букв – наберитесь терпения .

Сам инверторный сварочный аппарат представляет не что иное, как довольно мощный блок питания. По принципу действия он очень схож с импульсными блоками питания, например, компьютерными блоками питания AT и ATX. Вы спросите: «Чем они похожи? Это ведь абсолютно разные устройства…». Схожесть заключается в принципе преобразования энергии.

Основные этапы преобразования энергии в инверторном сварочном аппарате:

1. Выпрямление переменного напряжения электросети 220V;

2. Преобразование постоянного напряжения в переменное высокой частоты;

3. Понижение высокочастотного напряжения;

4. Выпрямление пониженного высокочастотного напряжения.

Это кратко, так сказать, на пальцах . Такие же преобразования происходят в импульсных блоках питания для ПК.

Спрашивается, а зачем нужны эти пляски с бубном (несколько ступеней преобразования напряжения и тока)? А дело тут вот в чём.

Ранее основным элементом сварочного аппарата являлся мощный силовой трансформатор. Он понижал переменное напряжение электросети и позволял получать от вторичной обмотки огромные токи (десятки – сотни ампер), необходимых для сварки. Как известно, если понизить напряжение на вторичной обмотке трансформатора, то можно во столько же раз увеличить ток, который может отдать нагрузке вторичная обмотка. При этом уменьшается число витков вторичной обмотки, но и растёт диаметр обмоточного провода.

Из-за своей высокой мощности, трансформаторы, которые работают на частоте 50 Гц (такова частота переменного тока электросети), имеют весьма большие размеры и вес.

Чтобы устранить этот недостаток были разработаны инверторные сварочные аппараты. За счёт увеличения рабочей частоты до 60-80 кГц и более, удалось уменьшить габариты, а, следовательно, и вес трансформатора. За счёт увеличения рабочей частоты преобразования в 4 раза удаётся снизить габариты трансформатора в 2 раза. А это приводит к уменьшению веса сварочного аппарата, а также к экономии меди и других материалов на изготовление трансформатора.

Но где взять эти самые 60-80 кГц, если частота переменного тока электросети всего 50 Гц? Тут на выручку приходит инверторная схема, которая состоит из мощных ключевых транзисторов, которые переключаются с частотой 60-80 кГц. Но чтобы транзисторы работали, необходимо подать на них постоянное напряжение. Его получают от выпрямителя. Напряжение электросети выпрямляется мощным диодным мостом и сглаживается фильтрующими конденсаторами. В результате на выходе выпрямителя и фильтра получается постоянное напряжение величиной более 220 вольт. Это первая ступень преобразования.

Вот это напряжение и служит источником питания для инверторной схемы. Мощные транзисторы инвертора подключены к понижающему трансформатору. Как уже говорилось, транзисторы переключаются с огромной частотой в 60-80 кГц, а, следовательно, трансформатор работает также на этой частоте. Но, как уже говорилось, для работы на высоких частотах требуются менее громоздкие трансформаторы, ведь частота то уже не 50 Гц, а все 65000 Гц! В результате трансформатор «сжимается» до весьма малых размеров, а мощность его такая же, как и у здоровенного собрата, который работает на частоте 50 Гц. Думаю, идея понятна.

Вся эта петрушка с преобразованием привела к тому, что в схемотехнике сварочного аппарата появляется куча всяких дополнительных элементов, служащих для того, чтобы аппарат стабильно работал. Но, хватить теории, перейдём к “мясу”, а точнее к реальному железу и тому, как оно устроено.

Устройство сварочного аппарата инверторного типа. Часть 1. Силовой блок.

Разбираться в устройстве сварочного инвертора желательно по схеме конкретного аппарата. К сожалению, схемы на TELWIN Force 165 я не нашёл, поэтому нагло позаимствуем схему из руководства по ремонту другого аппарата – TELWIN Tecnica 144-164. Фотографии аппарата и его начинки будут от TELWIN Force 165, так как именно он оказался в моём распоряжении. Исходя из анализа схемотехники и элементной базы, особых отличий между этими моделями практически нет, если не учитывать мелочи.

Внешний вид платы сварки TELWIN Force 165 с указанием расположения некоторых элементов схемы.

Принципиальная схема сварочного аппарата инверторного типа TELWIN Tecnica 144-164 состоит из двух основных частей: силовой и управляющей.

Сначала разберёмся в схемотехнике силовой части. Вот схема. Картинка кликабельна (нажмите для увеличения – откроется в новом окне).

Сетевой выпрямитель.

Как уже говорилось, сначала переменный ток электросети 220V выпрямляется мощным диодным мостом и фильтруется электролитическими конденсаторами. Это нужно для того, чтобы переменный ток электросети частотой 50 герц стал постоянным. Конденсаторы С21, С22 нужны для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения, которые всегда присутствуют после диодного выпрямителя. Выпрямитель реализован по классической схеме диодный мост. Он выполнен на диодной сборке PD1.

Следует знать, что на конденсаторах фильтра напряжение будет больше в 1,41 раза, чем на выходе диодного моста. Таким образом, если после диодного моста мы получим 220V пульсирующего напряжения, то на конденсаторах будет уже 310V постоянного напряжения (220V * 1,41 = 310,2V). Обычно же рабочее напряжение ограничивается отметкой в 250V (напряжение в сети ведь может быть и завышенным). Тогда на выходе фильтра мы получим все 350V. Именно поэтому конденсаторы имеют рабочее напряжение 400V, с запасом.

На печатной плате сварочного аппарата TELWIN Force 165 элементы сетевого выпрямителя занимают довольно большую площадь (см. фото выше). Выпрямительный диодный мост установлен на охлаждающий радиатор. Через диодную сборку протекают большие токи и диоды, естественно, нагреваются. Для защиты диодного моста на радиаторе установлен термопредохранитель, который размыкается при превышении температуры радиатора выше 90С 0 . Это элемент защиты.

В выпрямителе применяются диодные сборки (диодный мост) типа GBPC3508 или аналогичный. Сборка GBPC3508 рассчитана на прямой ток (I) – 35А, обратное напряжение (V_R) – 800V.

После диодного моста установлены два электролитических конденсатора (здоровенькие бочонки) ёмкостью 680 микрофарад каждый и рабочим напряжением 400V. Ёмкость конденсаторов зависит от модели аппарата. В модели TELWIN Tecnica 144 – 470 мкф., а в TELWIN Tecnica 164 – 680 мкф. Постоянное напряжение с выпрямителя и фильтра подаётся на инвертор.

Помеховый фильтр.

Для того чтобы высокочастотные помехи, которые возникают из-за работы мощного инвертора, не попадали в электросеть, перед выпрямителем устанавливается фильтр ЭМС – электромагнитной совместимости. На английский манер аббревиатура ЭМС обозначается как EMC (ElectroMagnetic Compatibility). Если взглянуть на схему, то фильтр EMC состоит из элементов С1, C8, C15 и дросселя на кольцевом магнитопроводе T4.

Инвертор.

Схема инвертора собрана по схеме так называемого “косого моста”. В нём используется два мощных ключевых транзистора. В сварочном инверторе ключевыми транзисторами могут быть как IGBT-транзисторы, так и MOSFET. Например, в моделях Telwin Tecnica 141-161 и 144-164 используются IGBT-транзисторы (HGTG20N60A4, HGTG30N60A4), а в модели Telwin Force 165 применены высоковольтные MOSFET-транзисторы (FCA47N60F). Оба ключевых транзистора устанавливаются на радиатор для отвода тепла. Фото одного из двух транзисторов MOSFET типа FCA47N60F на плате TELWIN Force 165.

Снова взглянем на принципиальную схему и найдём на ней элементы инвертора.

Постоянное напряжение коммутируется транзисторами Q5 и Q8 через обмотку импульсного трансформатора T3 с частотой гораздо большей, чем частота электросети. Частота переключений может составлять несколько десятков килогерц! По сути, создаётся переменный ток, как и в электросети, но только он имеет частоту в несколько десятков килогерц и прямоугольную форму.

Для защиты транзисторов от опасных выбросов напряжения используются демпфирующие RC-цепи R46C25, R63C30.

Для понижения напряжения используется высокочастотный трансформатор T3. С помощью транзисторов Q5, Q8 через первичную обмотку трансформатора T3 (обмотка 1-2) коммутируется напряжение, которое поступает от сетевого выпрямителя (DC+, DC-). Это то самое постоянное напряжение в 310 – 350V, которое было получено на первом этапе преобразования.

За счёт коммутирующих транзисторов постоянное напряжение преобразуется в переменное. Как известно, трансформаторы постоянный ток не преобразуют. Со вторичной обмотки трансформатора T3 (обмотка 5-6) снимается уже намного меньшее напряжение (около 60-70 вольт), но максимальный ток может достигать 120 – 130 ампер! В этом и заключается основная роль трансформатора T3. Через первичную обмотку течёт небольшой ток, но большого напряжения. Со вторичной обмотки уже снимается малое напряжение, но большой ток.

Размеры этого самого трансформатора невелики.

Его вторичная обмотка выполнена несколькими витками ленточного медного провода в изоляции. Сечение провода внушительное, да и не мудрено, ток в обмотке может достигать 130 ампер!

Далее со вторичной обмотки импульсного трансформатора переменный ток высокой частоты выпрямляется мощными диодными выпрямителями. С выхода выпрямителя (OUT+, OUT-) снимается электрический ток с нужными параметрами. Это и необходимо для проведения сварочных работ.

Выходной выпрямитель.

Выходной выпрямитель собран на базе мощных сдвоенных диодов с общим катодом (D32, D33, D34). Эти диоды обладают высоким быстродействием, т. е. они могут быстро открываться и также быстро закрываться. Время восстановления t_rr of your page –>

Как работает инверторный сварочный аппарат

Принцип действия инверторного аппарата во многом схож с работой импульсного блока питания. И в инверторе, и в импульсном блоке питания энергия трансформируется похожим образом.

Процесс преобразования электрической энергии в сварочном аппарате инверторного типа можно описать так.

• Переменный ток с напряжением 220 Вольт, протекающий в обычной электрической сети, преобразуется в постоянный.
• Полученный постоянный ток при помощи специального блока электрической схемы инвертора опять преобразуется в переменный, но обладающий очень высокой частотой.
• Понижается напряжение высокочастотного переменного тока, что значительно увеличивает его силу.
• Сформированный электрический ток, обладающий высокой частотой, значительной силой и низким напряжением, преобразуется в постоянный, на котором и выполняется сварка.

Принцип работы сварочного инвертора

Основным типом сварочных аппаратов, которые использовались ранее, были трансформаторные устройства, повышавшие сварочный ток за счет уменьшения значения напряжения. Самыми серьезными недостатками такого оборудования, которое активно используется и сегодня, являются низкий КПД (так как в них большое количество потребляемой электрической энергии тратится на нагрев железа), большие габариты и вес.

Изобретение инверторов, в которых сила сварочного тока регулируется совершенно по иному принципу, позволило значительно уменьшить размеры сварочных аппаратов, а также снизить их вес. Эффективно регулировать сварочный ток в таких аппаратах становится возможным благодаря его высокой частоте. Чем выше частота тока, который формирует инвертор, тем меньшими могут быть габариты оборудования.

Одна из основных задач, которую решает любой инвертор, – это увеличение частоты стандартного электрического тока. Возможно это благодаря использованию транзисторов, которые переключаются с частотой 60–80 Гц. Однако, как известно, на транзисторы можно подавать только постоянный ток, в то время как в обычной электрической сети он переменный и имеет частоту 50 Гц. Чтобы преобразовать переменный ток в постоянный, в инверторных аппаратах устанавливают выпрямитель, собранный на основе диодного моста.

После транзисторного блока, в котором формируется переменный ток с высокой частотой, в сварочных инверторах расположен трансформатор, который понижает напряжение и, соответственно, увеличивает силу тока. Для регулировки напряжения и тока, имеющих высокую частоту, требуются менее габаритные трансформаторы (при этом по своей мощности они не уступают более крупным аналогам).

Сварочный инвертор без защитного кожуха

Устройство и работа

Если с назначением осциллятора разобраться не так сложно, то для понимания его работы потребуются некоторые знания в области физики. Первым делом необходимо понимать, что с помощью этого прибора мы получаем дистанционный розжиг дуги и в процессе сварки стабильную дугу, которая статична по отношению к изменяющемуся зазору между электродом и поверхностью металла.

Осциллятор принципиально состоит из нескольких блоков:

• Повышающий трансформатор служит для преобразования амплитуды напряжения.
• Колебательный контур, имеющий классическое строение. Он состоит из конденсатора и катушки индуктивности. В этом контуре возникают высокочастотные колебания.
• Разрядник. Его основной элемент – воздушный зазор, в котором возникает искра.

Естественно, нами не учтены различные датчики, обеспечивающие автономность работы и систему контроля. При реализации интегрированной схемы, когда осциллятор является составной частью аргонодугового инвертора, устройство оснащено клапаном подачи газа. Последний управляется микропроцессором и подает аргон в нужный момент времени. Осциллятор оснащен системой безопасности, обеспечивающей бесперебойную работу электрической цепи, а также сохранность жизни и здоровья самого сварщика. От поражения электрическим током защищает конденсатор. В случае его пробоя в работу вступает плавкий предохранитель, размыкающий цепь при превышении силы тока.

Алгоритм работы осциллятора можно представить в виде последовательности процессов. Рабочее напряжение бытовой сети поступает на первичную обмотку повышающего трансформатора. После преобразования тока на вторичной обмотке индуцируется ЭДС заданной величины (5-6 тысяч вольт). На данный момент частота тока равна промышленной частоте, то есть, 50 Гц. К обмотке вторичной катушки подключен конденсатор колебательного контура. Он начинает заряжаться, но так как собственная частота колебательного контура превышает частоту тока на обмотке, то в контуре возникают колебания. Изначально контур разомкнут, но пробой в разряднике играет роль своеобразного ключа и замыкает цепь. Колебания тока в контуре поступают на электрод.

Одним из примечательных свойств конденсатора является пропускание переменного электрического тока. Емкостное сопротивление с повышением частоты уменьшается. Блокировочный конденсатор является препятствием для низкочастотного тока, которым питается сам инвертор, однако пропускает высокочастотный ток. Таким образом, обеспечивается защита осциллятора от короткого замыкания.

Достоинства инверторов

Сварочные инверторы получили широкое распространение, в первую очередь, благодаря своим преимуществам:

• небольшая масса по сравнению с устаревшими агрегатами;
• появление возможности использования электродов для постоянного тока, что позволило применять дуговую сварку при обработке цветмета;
• возможность регулирования токового диапазона. Регулирование позволило использовать аргонодуговую сварку с использованием тугоплавких электродов;
• в большинстве моделей, возможно сразу при запуске подавать на электрод максимальный ток, что позволяет исключить «залипание» поверхностей во время сваривания.

Основные неисправности сварочного инвертора

Сварочный инвертор искрит, но не варит

Такая неисправность довольно часто встречается в бюджетных моделях. Оборудование генерирует разряд, но при этом не разгорается электрическая дуга. Точнее она поджигается на очень короткий промежуток времени и сразу гаснет. Существует несколько объяснений такой поломке.

Поиск неисправности следует начать из проверки сварочных кабелей. Как показывает практика, в большинстве случаев причина кроется именно в них. Даже в том случае, когда явные грехи не нашлись не стоит успокаиваться. Желательно взять новые проводники и снова попробовать разжечь дугу. Если ничего не изменилось, то нужно убедиться в надежности всех разъемов.

Также причина может заключаться в электролитических конденсаторах, которые задействованы в схеме преобразователя. Их несложно заменить самостоятельно. Если же нет навыков, то можно обратиться к более опытным знакомым или специалистам. Когда ситуация не улучшилась, то самое время обратить внимание на провода пакетника. Может быть, что они обгорели и требуют замены.

Если и в этом случае не удалось починить сварочный аппарат, то его следует отнести в сервисный центр. Причин подобной неполадки может быть очень много, а найти их методом перебора очень сложно. Проведя диагностику, специалисты смогут быстро определить поломку и предложить варианты ее устранения.

Сварочный аппарат включается, но не варит

Иногда возникает ситуация, когда инвертер включен в сеть, но не генерирует сварочную дугу. Все индикаторы и приборы показывают, что работают нормально, но сам прибор в это время не варит. Наиболее вероятная причина состоит в том, что аппарат перегрелся. Об этом речь пойдет ниже.

Еще одной из причин может быть неисправность кабелей. Стоит попробовать подключать новые магистрали и снова попытаться извлечь сварочную дугу.

Перегрев

Когда инвертер перегревается, он начинает варить плохо или же не генерирует дугу вовсе. Такое случается, когда пришлось варить без перерыва более 10 минут. Большинство реализуемых на рынке моделей укомплектованы защитой от перегрева. Но бывают случаи, когда она не срабатывает. Инвертер остается включенным, но не работает. Решение проблемы не представляет никакой сложности. Достаточно отключить аппарат на полчаса. За этот период времени он остынет, придет в норму и можно будет продолжить работу.

Сварочный инвертор не включается/не работает

Проблема возникает не так уж и редко. Оборудование подключены к сети энергоснабжения, но при этом не подает совершенно никаких признаков жизни. Причин этому может быть несколько. Чаще всего виноватой является именно сеть энергоснабжения: напряжения впало ниже минимально допустимого уровня и его недостаточно для инициализации сварочного аппарата. Решить проблему можно путем приобретения стабилизатора напряжения. В дальнейшем сварка подключается через него и работает нормально.

Еще причиной может служить плохое состояние кабеля энергоснабжения, который подает питание от розетки непосредственно на сам аппарат. Следует проверить целостность кабеля и вилки включения. Также не будет лишним снять корпус, который скрывает часть кабеля энергоснабжения, чтобы убедить в целостности этого участка.

Если не помог стабилизатор, а кабель подачи питания в норме, то причиной может быть поломка источника питания инвертера. При такой поломке желательно обращаться в сервисный центр. Большинство пользователей отремонтировать агрегат самостоятельно не смогут, так как для этого нужны специальные знания и навыки.

Не регулируется ток

Переключение ручки регулятора силы тока не дают никакого эффекта. Это свидетельствует, что, вероятнее всего, сломался сам регулятор. Возможно, что требуется только проверить надежность контактов. Нужно снять корпус и внимательно проверить все визуально. Чтобы продиагностировать регулятор, нужно проверить сварочный аппарат мультиметром.

Если регулятор неисправен, то его следует заменить целиком. Если же причина не в нем, то требуется проверка вторичного трансформатора и дросселя. При выявлении неисправности одного из элементов, он подлежит замене.

Электрод липнет к металлу

Современный инвертеры в большинстве своем имеют в арсенале функцию «антизалипание», которая препятствует «склеиванию» расходника и рабочей поверхности. Но далеко не всегда данная функция работает корректно, а то и вовсе не срабатывает из-за неисправности сварочного аппарата.

Основной причиной того, что электрод прилипает к металлу, является неверный выбор настроек, а именно – неправильный режим сварки. Следующая причина может заключаться в низком напряжении сети энергоснабжения. В розничной сети продаются инвертеры, которые будут нормально работать даже при пониженном напряжении. Но иногда напряжение опускается настолько низко, что даже такие инвертеры не могут функционировать в обычном режиме. В корне решить проблему поможет приобретение стабилизатора напряжения.

Еще одной причиной может стать использование сетевых удлинителей. Бывают ситуации, когда длины кабеля недостаточно для того, чтобы выполнить работы в определенном месте. Выходом из сложившихся обстоятельств является применение специальных сварочных удлинителей. Следует иметь ввиду, что при длине дополнительного кабеля больше сорока метров и сечении проводки не больше 2,5 мм кв. вероятность залипания электрода практически 100%. Это случается из-за снижения сварочного напряжения вследствие использования длинного кабеля м малым диаметром токопроводящих жил.

Залипать электроды могут из-за некачественной подготовки поверхности к работе. Достаточно просто хорошо зачистить металл болгаркой, наждачной бумагой или другим абразивом.

Для чего нужен форсаж дуги на сварочном инверторе

В отличие от «горячего старта» он поддерживает стабильный ток не только во время розжига электрода, но и весь сварочный процесс. Принцип работы Arc force заключается в увеличении выходного тока во время короткого замыкания. Когда между электродом и свариваемой поверхностью появляется капелька металла, велик риск залипания электрода, он притягивается к свариваемой поверхности. Аппарат мгновенно добавляет ампераж на 1/3 от рабочего напряжения, позволяя капле расплавиться, а затем возвращает его к прежним параметрам. Что такое форсаж дуги сварочного инвертора с точки зрения функциональности: высокоскоростной регулятор ампеража, стабилизирующий рабочие параметры аппарата. Функции форсажа:

• мгновенно увеличивать силу тока, когда она снижается до критического уровня, возрастает риск короткого замыкания, прикипания электрода;
• уменьшать, когда электродуга мощная, защищать от прожогов тонких деталей;
• обеспечивать стабильную работу.

Заключение

Рассмотренные высококачественные алюминиевые электролитические конденсаторы производства компаний Hitachi, Samwha и Yageo позволяют решить практически любую задачу разработки высокочастотного сварочного инверторного аппарата. Отличительной особенностью представленных конденсаторов является их разработка в соответствии с требованиями RoHS (Директива об ограничении использования некоторых вредных веществ в электрическом и электронном оборудовании) и прочими экологическими нормами. За консультацией по применению, а также по вопросу приобретения конденсаторов производства всех трех компаний можно обратиться к их дистрибьютору – компании КОМПЭЛ.