Spawarki inwerterowe

Ogromne zainteresowanie i szczyt popularności, jakie wzrosło w ostatniej dekadzie nowymi konstrukcjami spawarek pracujących na zasadzie falowników, wynika z następujących głównych przyczyn:

• zwiększona jakość szwów;

• dostępność operacji nawet dla początkujących spawaczy dzięki włączeniu kompleksu funkcji gorącego startu, zapobiegania przywieraniu elektrody i spalania łuku;

• minimalizacja konstrukcji sprzętu spawalniczego, zapewniająca jego mobilność;

• znaczne oszczędności energii w porównaniu z transformatorami.

Te zalety stały się możliwe dzięki zmianie podejścia do technologii wytwarzania łuku spawalniczego na elektrodzie dzięki wprowadzeniu najnowszych osiągnięć techniki mikroprocesorowej.

Jak działają falowniki spawalnicze

Zasilane są prądem 220 V 50 Hz, który pochodzi ze zwykłego gniazdka elektrycznego. (Urządzenia pracujące w sieci trójfazowej wykorzystują podobne algorytmy.) Jedynym ograniczeniem, na które należy zwrócić uwagę, jest pobór mocy przez aparat.Nie może przekraczać wartości znamionowych urządzeń ochronnych sieci i właściwości przewodzących okablowania.

Kolejność pięciu cykli technologicznych użytych do wytworzenia łuku spawalniczego z falownika pokazano na zdjęciu.

Należą do nich procesy wykonywane przez:

• prostownik;

• filtr linii skraplacza;

• przetwornica wysokiej częstotliwości;

• transformator obniżający napięcie o wysokiej częstotliwości;

• prostownik wysokiej częstotliwości;

• system kontroli.

Wszystkie te urządzenia znajdują się na płytce wewnątrz pudełka. Po zdjęciu osłony wyglądają mniej więcej tak jak na zdjęciu.

Prostownik napięcia sieciowego

Zasilany jest napięciem przemiennym ze stacjonarnej sieci elektrycznej poprzez przełącznik ręczny umieszczony na korpusie. Przetwarzana jest przez mostek diodowy na wartość pulsującą. Cała energia łuku spawalniczego przechodzi przez elementy półprzewodnikowe tego bloku. Dlatego są wybierane z niezbędnym marginesem napięcia i prądu.

Aby poprawić odprowadzanie ciepła, zespół diodowy, który podczas pracy podlega silnemu nagrzewaniu, jest zamontowany na radiatorach chłodzących, które są dodatkowo nadmuchiwane powietrzem dostarczanym z wentylatora.

Grzaniem mostka diodowego steruje czujnik temperatury ustawiony na tryb bezpiecznika termicznego. To jako element ochronny, gdy diody zostaną nagrzane do +90 ОC, otwiera obwód zasilania.

Filtr linii skraplacza

Równolegle ze stykiem wyjściowym prostownika, który wytwarza napięcie tętnienia, połączone są ze sobą dwa kondensatory elektrolityczne o dużej mocy. Wygładzają fluktuacje tętnień i są zawsze wybierane z marginesem napięcia.Rzeczywiście, nawet w normalnym trybie filtrowania wzrasta 1,41 razy i osiąga 220 x 1,41 = 310 woltów.

Z tego powodu kondensatory dobiera się na napięcie robocze co najmniej 400 V. Ich pojemność jest obliczana dla każdej konstrukcji zgodnie z mocą maksymalnego prądu spawania. Zwykle waha się od 470 mikrofaradów lub więcej dla pojedynczego kondensatora.

Filtr zakłóceń

Działający falownik spawalniczy przetwarza wystarczającą ilość energii elektrycznej, aby powodować zakłócenia elektromagnetyczne. W ten sposób ingeruje w pozostałe urządzenia elektryczne podłączone do sieci. Aby usunąć je na wejściu prostownika, ustaw filtr indukcyjno-pojemnościowy.

Jego celem jest wygładzenie zakłóceń o wysokiej częstotliwości pochodzących z działającego obwodu do sieci elektroenergetycznej innych odbiorców energii elektrycznej.

falownik

Konwersja napięcia stałego na wysoką częstotliwość może odbywać się według różnych zasad.

W falownikach spawalniczych najczęściej spotyka się dwa rodzaje obwodów działających na zasadzie „skośnego mostka”:

• półmostkowy półmostkowy przetwornik impulsów;

• pełnomostkowy przetwornik impulsów.

Rysunek przedstawia implementację pierwszego obwodu.

Zastosowano tutaj dwa potężne przełączniki tranzystorowe. Można je montować na szeregowych przyrządach półprzewodnikowych MOSFET lub IGBT.

Kaskadowe tranzystory MOSFET działają dobrze w inwerterach niskiego napięcia, a także dobrze radzą sobie z obciążeniami spawalniczymi. Aby uzyskać szybkie ładowanie/rozładowanie o dużej pojemności, potrzebny jest sterownik pchający z kontrolą sygnału przeciwfazowego do szybkiego ładowania kondensatorów za pomocą jednego tranzystora i zwarcia do masy w celu rozładowania za pomocą drugiego.

Bipolarne tranzystory IGBT zyskują na popularności w inwerterach spawalniczych.Mogą z łatwością przenosić duże moce przy wysokich napięciach, ale wymagają bardziej złożonych algorytmów sterowania.

Schemat półmostkowego przetwornika impulsów znajduje się w konstrukcjach falowników spawalniczych średniej kategorii cenowej. Ma dobrą wydajność, jest niezawodny, tworzy transformator prostokątne impulsy o wysokiej częstotliwości kilkudziesięciu kHz.

Pełnomostkowy konwerter impulsów jest bardziej złożony, zawiera dwa dodatkowe tranzystory.

W pełni wykorzystuje wszystkie możliwości transformatora wysokiej częstotliwości z przełącznikami tranzystorowymi pracującymi parami w trybie dwóch połączonych mostków skośnych.

Obwód ten jest stosowany w najmocniejszych i najdroższych falownikach spawalniczych.

Wszystkie kluczowe tranzystory są zainstalowane na wydajnych radiatorach w celu odprowadzania ciepła. Ponadto są one dodatkowo chronione przed możliwymi skokami napięcia przez tłumiące filtry RC.

Transformator wysokiej częstotliwości

Jest to specjalna konstrukcja transformatora, zwykle z ferrytowym obwodem magnetycznym, który obniża napięcie wysokiej częstotliwości za falownikiem przy minimalnych stratach do stabilnego zajarzania łuku o wartości około 60-70 woltów.

W jego uzwojeniu wtórnym płyną duże prądy spawania, dochodzące do kilkuset amperów. Zatem przy konwersji obj. / H energii przy stosunkowo małej wartości prądu i wysokim napięciu w uzwojeniu wtórnym, prądy spawania powstają przy już obniżonym napięciu.

Dzięki zastosowaniu wysokiej częstotliwości i przejściu na ferrytowy obwód magnetyczny, waga i wymiary samego transformatora są znacznie zmniejszone, straty mocy spowodowane odwróceniem magnetyzmu żelaza są zmniejszone, a wydajność zwiększona.

Na przykład transformator spawalniczy starej konstrukcji z żelaznym rdzeniem magnetycznym, zapewniający prąd spawania 160 amperów, waży około 18 kg, a transformator wysokiej częstotliwości (o tych samych właściwościach elektrycznych) ma nieco mniej niż 0,3 kilograma.

Zalety wagi urządzenia i odpowiednio warunków pracy są oczywiste.

Prostownik mocy wyjściowej

Opiera się na mostku złożonym ze specjalnych szybkich, bardzo szybkich diod, zdolnych do reagowania na prąd o wysokiej częstotliwości — otwierania i zamykania z czasem regeneracji wynoszącym około 50 nanosekund.

Konwencjonalne diody nie radzą sobie z tym zadaniem. Czas trwania ich stanu przejściowego odpowiada mniej więcej połowie okresu sinusoidalnej harmonicznej prądu, czyli około 0,01 sekundy. Z tego powodu szybko się nagrzewają i palą.

Mostek diodowy mocy, podobnie jak tranzystory transformatora wysokiego napięcia, umieszczony jest na radiatorach i zabezpieczony tłumiącym układem RC przed skokami napięcia.

Zaciski wyjściowe prostownika wykonane są z grubych miedzianych końcówek do bezpiecznego podłączenia przewodów spawalniczych do obwodu elektrody.

Charakterystyka schematu sterowania

Wszystkie operacje inwertera spawalniczego są sterowane i kontrolowane przez procesor poprzez sprzężenie zwrotne za pomocą różnych czujników, co zapewnia niemal idealne parametry prądu spawania do łączenia wszystkich rodzajów metali.

Dzięki precyzyjnie dozowanym obciążeniom straty energii podczas spawania są znacznie zmniejszone.

Do obsługi obwodu sterującego dostarczane jest stałe, stabilizowane napięcie z zasilacza, który jest wewnętrznie podłączony do obwodów wejściowych 220 V.To napięcie ma na celu:

• wentylator chłodzący do grzejników i płyt;

• przekaźnik miękkiego startu;

• wskaźniki LED;

• zasilanie mikroprocesora i wzmacniacza operacyjnego.

Przekaźnik do falownika łagodnego startu wynika z nazwy. Działa na następującej zasadzie: w momencie włączenia falownika kondensatory elektrolityczne filtra sieciowego zaczynają się bardzo gwałtownie ładować. Ich prąd ładowania jest bardzo wysoki i może uszkodzić diody prostownicze.

Aby temu zapobiec, ładunek jest ograniczany przez mocny rezystor, który swoją aktywną rezystancją zmniejsza początkowy prąd rozruchowy. Kiedy kondensatory są naładowane, a falownik zaczyna pracować w trybie projektowym, przekaźnik miękkiego startu aktywuje się i poprzez swoje normalnie otwarte styki manipuluje tym rezystorem, usuwając go tym samym z obwodów stabilizacyjnych.

Prawie cała logika inwertera jest zamknięta w sterowniku mikroprocesorowym. Steruje pracą potężnych tranzystorów przetwornicy.

Zabezpieczenie przeciwprzepięciowe bramkowych i emiterowych tranzystorów mocy oparte jest na zastosowaniu diod Zenera.

Czujnik jest podłączony do obwodu uzwojenia transformatora wysokiej częstotliwości - przekładnika prądowego, który swoimi obwodami wtórnymi wysyła sygnał proporcjonalny do wielkości i kąta do przetwarzania logicznego. W ten sposób kontrolowana jest siła prądów spawania, aby oddziaływać na nie podczas rozruchu i pracy falownika.

Aby kontrolować wielkość napięcia wejściowego na wejściu prostownika sieciowego urządzenia, podłączony jest mikroukład wzmacniacza operacyjnego.Na bieżąco analizuje sygnały z zabezpieczeń napięciowych i prądowych, określając moment wystąpienia sytuacji awaryjnej, kiedy konieczne jest zablokowanie pracującego generatora i odłączenie falownika od zasilania.

Maksymalne odchylenia napięcia zasilania są kontrolowane przez komparator. Uruchamia się po osiągnięciu krytycznych wartości energii. Jego sygnał jest sekwencyjnie przetwarzany przez elementy logiczne w celu wyłączenia generatora i samego falownika.

Do ręcznej regulacji prądu łuku spawalniczego służy potencjometr regulacyjny, którego pokrętło wysuwa się na korpus urządzenia. Zmiana jego rezystancji pozwala na zastosowanie jednego ze sposobów sterowania, wpływającego na:

• amplituda w / h napięcia falownika;

• częstotliwość impulsów o wysokiej częstotliwości;

• czas trwania impulsu.

Podstawowe zasady działania i przyczyny awarii falowników spawalniczych

Szacunek dla złożonego sprzętu elektronicznego jest zawsze kluczem do jego długotrwałej i niezawodnej pracy. Ale niestety nie wszyscy użytkownicy stosują ten przepis w praktyce.

Inwertery spawalnicze pracują w warsztatach produkcyjnych, na budowach lub są używane przez domowych rzemieślników w prywatnych garażach lub domkach letniskowych.

W środowisku produkcyjnym falowniki najczęściej cierpią z powodu kurzu gromadzącego się wewnątrz pudełka. Jego źródłem mogą być dowolne narzędzia lub maszyny do obróbki metali, obróbki metali, betonu, granitu, cegły. Jest to szczególnie częste podczas pracy ze szlifierkami, murarzami, perforatorami...

Kolejnym powodem awarii, która wystąpiła podczas spawania, jest tworzenie niestandardowych obciążeń w obwodzie elektronicznym przez niedoświadczonego spawacza.Na przykład, jeśli spróbujesz przeciąć przedni pancerz wieży czołgu lub szyny kolejowej za pomocą falownika spawalniczego małej mocy, wynik takiej pracy jest jednoznacznie przewidywalny: spalenie elementów elektronicznych IGBT lub MOSFET.

Wewnątrz obwodu sterującego działa przekaźnik termiczny, który chroni przed stopniowo rosnącymi obciążeniami termicznymi, ale nie będzie miał czasu na reakcję na tak gwałtowne skoki prądów spawania.

Każdy falownik spawalniczy charakteryzuje się parametrem „PV” - czasem włączenia w porównaniu z czasem trwania przerwy w spawaniu, który jest wskazany w paszporcie technicznym. Nieprzestrzeganie tych zaleceń zakładu prowadzi do nieuchronnych awarii.

Nieostrożne obchodzenie się z urządzeniem może przejawiać się w jego złym transporcie lub transporcie, gdy ciało narażone jest na zewnętrzne wstrząsy mechaniczne lub drgania ramy poruszającego się samochodu.

Wśród pracowników zdarzają się przypadki pracy falowników z wyraźnymi oznakami wadliwego działania wymagającego natychmiastowego usunięcia, np. poluzowanie styków mocujących przewody spawalnicze w gniazdach obudowy. A przekazanie drogiego sprzętu niewykwalifikowanemu i słabo wyszkolonemu personelowi również zwykle prowadzi do wypadków.

W domu często zdarzają się spadki napięcia zasilania, zwłaszcza w spółdzielniach garażowych, a spawacz nie zwraca na to uwagi i stara się szybciej wykonywać swoją pracę, „wyciskając” z falownika wszystko, co jest w stanie i nie potrafi…

Zimowe przechowywanie drogiego sprzętu elektronicznego w słabo ogrzanym garażu lub nawet w szopie prowadzi do osadzania się kondensatu z powietrza na płytach, utleniania styków, uszkodzenia torów i innych uszkodzeń wewnętrznych.Podobnie urządzenia te cierpią z powodu pracy w niskich temperaturach poniżej -15 stopni lub opadów atmosferycznych.

Przekazanie falownika do sąsiada w celu prac spawalniczych nie zawsze kończy się pomyślnie.

Jednak ogólna statystyka warsztatów pokazuje, że dla prywatnych właścicieli sprzęt spawalniczy działa dłużej i lepiej.

Wady projektowe

Inwertery spawalnicze ze starszych wersji są mniej niezawodne transformatory spawalnicze… A ich nowoczesna konstrukcja, zwłaszcza modułów IGBT, ma już porównywalne parametry.

Podczas procesu spawania wewnątrz obudowy powstaje duża ilość ciepła. System stosowany do wyjmowania i chłodzenia płytek drukowanych i elementów elektronicznych nawet w modelach ze średniej półki nie jest zbyt wydajny. Dlatego podczas pracy należy przestrzegać przerw w celu obniżenia temperatury wewnętrznych części i urządzeń.

Podobnie jak wszystkie obwody elektroniczne, urządzenia inwerterowe tracą swoją funkcjonalność przy wysokiej wilgotności i kondensacji.

Pomimo uwzględnienia w projekcie filtrów usuwających szumy, dość znaczne zakłócenia o wysokiej częstotliwości przenikają do obwodu zasilania. Rozwiązania techniczne eliminujące ten problem znacznie komplikują urządzenie, co prowadzi do gwałtownego wzrostu ceny całego sprzętu.